Week 2 ハードウェア間通信プロトコル

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模擬衛星開発プロジェクト ／ 事前学習ゼミ WEEK 2 ／ UART・SPI・I2C ハードウェア間 通信プロトコル マイコンの中の数値の読み書きから、マイコンと部品間の情報伝達(数値の読み書き)へ。 データが流れるシーケンスと、そのハードウェアの仕組み・ソフトウェアとしての機能を学ぶ。 補講（電子回路） → Week 1 → Week 2（今日） → Week 3 → Week 4 → Week 5〜

0.1 復習

0.1 前回までの復習 電子回路の基礎とマイコンの原理が分かっていればOK 補講（電子回路）： H/L のデジタル信号、MOSFETという電気のスイッチ Week 1： マイコンの動作は数値の読み書きの繰り返し。 特殊な周辺回路(ペリフェラル)もソフトから見れば数値の読み書き。 チップとチップの間で情報(数値)をやりとりする方法を学ぶ。 補講：電子回路 電気と H/L Week 1 チップの中（レジスタ） Week 2（今日） チップとチップの間＝通信 Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 02

0.2 宿題

0.2 前回の宿題 8本の信号線でデータを送ることはできるが… Week 1 の宿題： 2台の Pico を8本の GPIO でつなぎ、1バイトずつ送信するコードを書いた。 面倒だったこと： 配線が多い。データを読むタイミングを合わせるのが難しい。 今日学ぶこと： 実際の部品間の通信規格はどうなっているのか？ 前回の宿題の Wokwi プロジェクト Pico は1台しか置けないため、送る1バイトを LED 8個で表示して確かめた Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 03

0.3 位置づけ

0.3 今回の位置づけ 模擬衛星は Pico W・IMU・ADC・カメラという別々のチップの集まり 構成： Pico W、IMU、ADC、カメラ。どれも独立したチップ 制御を行うにはこれらのチップと通信する必要がある。 そのルールである 通信規格 が今日のテーマ。 模擬衛星のシステム構成。マイコンのまわりに独立したチップが並ぶ 補講 電子回路の基礎 Week 1 マイコンの基礎 Week 2（今日） ハードウェア間通信規格 Week 3 センサとの通信と波形観測 Week 4 リアルタイムシステム Week 5〜 エンジニアリングの方法 Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 04

1 層で捉える

第 1 章 シリアル通信を レイヤーで捉える センサ値やコマンドという 「伝えたい情報（数値）」 がある 用途に合わせ、 UART・SPI・I2C など、1層・2層の規格が存在する 上位：情報を伝えたい 通信規格 2階：意味の層 アドレス／受領確認／フレームの約束 1階：電気の層 線の本数／H・L の動かし方／プルアップ

1.1 切り分け

1.1 どの層で壊れたかを先に決めて、調べる先を絞り込む どの層で壊れたかを先に決めて、調べる先を絞り込む 「動かない」を「どの層が壊れたか」に 絞り込む のがデバッグの第一歩 Week 3 の波形観測で、この切り分けを実際にやる 通信が動かない 信号は線に 出ているか？ NO → 電気の層を疑う 道具：配線・プルアップ・電源・テスタ YES → 意味の層を疑う 道具：速度の合意・アドレス・設定・データシート Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 06

1.2 インターネット

1.2 この視点の行き先 層で分ける発想は、TCP/IP や OSI 参照モデルとして体系化されている 層で分ける発想は、通信の世界全体で使われている戦術 インターネットでは TCP/IP や OSI 参照モデル という体系に デバッグ時に問題部分を絞り込むという目的だけでなく、 責任を分離した適切な設計 として非常に重要 詳細は補講（Wi-Fi 通信）で扱う。今日は2階建てで十分 今日：2階建て 意味の層 電気の層 インターネット：多層 アプリケーション トランスポート（TCP） ネットワーク（IP） 物理・データリンク Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 07

2 なぜ複数

第 2 章 なぜ通信規格が複数あるのか データを運ぶだけなのに、パラレル・UART・SPI・I2C と複数の規格がある。 ピン数・速度・通信相手の数のトレードオフ。

2.1 パラレル

2.1 パラレル：一斉に運ぶ たくさんピンを使ってデータをたくさん運ぶ メリット 高速。8本のデータ線に1ビットずつ、1回の合図で1バイト転送可能。 デメリット ピン数を大量に消費する。マイコンのピン数は有限。 模擬衛星での採用例 カメラ：D0〜D7 の8本＋同期・クロック4本（PCLK・HS・VS・XCLK） OV7675 カメラのデータバス（データシートより抜粋）。多数のデータ線を束で使う Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 09

2.2 シリアル

2.2 シリアル：1本の線に順番に載せる 1本の線にビットを時間で区切って順に流し、ピンを抑える パラレル（8本の線） 速いがピンを8本消費 2バイト＝ 2クロック シリアル（1本の線） 遅いがピンは1本 ／ 同じ2バイト＝ 16クロック 1本のデータ線に、ビットを時間で区切って1つずつ流す 同じ量なら遅くなる。代わりに ピンを大幅に節約 UART・SPI・I2C はすべてシリアル Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 10

3 共通の語彙

第 3 章 個別規格の前に：共通の語彙 誰が通信を主導するか 通信線の H/L から、データをいつ読むか

3.1 マスタ/スレーブ

3.1 マスタとスレーブ 主導権を1つに固定すると、送信の衝突を設計で防げる マスタ： 会話を開始し進行を仕切る側。模擬衛星では Pico スレーブ： 求められたときに応じる側。センサや ADC 主導権を1つに固定すると、衝突を設計の段階で防げる 注記： コントローラ／ターゲットという言い換えも マスタ Pico 送ってよい スレーブ① 選ばれた → 応答 スレーブ② 待機 スレーブ③ 待機 Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 12

3.2 いつ読むか

3.2 なぜクロックが要るのか データ線だけでは、いつ H/L を読めばよいか分からない 送り手は H と L を送るが、受け手は 「いつ読むか」 を知らない 同じ波形でも、読むタイミング次第でビット数も値も変わる だから読む瞬間をそろえる基準＝ クロック（一定の拍子） が要る 次で、その合わせ方（同期・非同期）を見る データ線（クロックなし） ？ ？ ？ ？ ？ ？ どの瞬間に読む？ 間隔がずれれば、同じ波形が別のビット列になる Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 13

3.3 同期/非同期

3.3 クロック同期と非同期：読む瞬間をどう合わせるか 同期式​（SPI・I2C）は​クロックの​合図で、​非同期式​（UART）は​速度の​事前合意で​ 同期式（SPI・I2C） クロック線を追加する 非同期式（UART） ペースを事前合意する Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 14

4 UART

第 4 章 UART Universal Asynchronous Receiver / Transmitter クロック線なしで、事前に合意した速度で送り合う非同期の1対1。 TX と RX をたすき掛け（クロス）でつなぐ1対1

4.1 配線

4.1 配線：TX と RX のたすき掛け TX は相手の RX へたすき掛け。TX 同士が定番の配線ミス TX（送信）と RX（受信） の2本。それぞれ一方通行 自分の TX は相手の RX へ。 たすき掛け（クロス） 行きと帰りが別の線なので、双方向に同時に送れる（ 全二重 ） 自分の TX を相手の RX へ、たすき掛けにつなぐ。GND は共通 Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 16

4.2 ボーレート

4.2 ボーレート：速度の事前合意 同じ​​​​ボーレート​に​​​​​​​​して​​​​​​​​初めて​​​​​​​​成立する ボーレート 1秒間に送るビット数の約束 単位は bps （bit per second） 速度は事前設定 クロック線を張らない代わりに、テンポを事前に決めておく 受け手はこの約束を頼りに、自分の時計で数えながら読む クロック線はなく、合意した 115200 の目盛りで各自が数えて読む シリアルモニタでも同じ 115200 を選んで速度合意に参加する 次へ → ペースは一定でも、データの開始タイミングを知る必要がある Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 17

4.3 フレーム

4.3 フレーム：1バイトを送るシーケンス データビットを送るための"フレーム" RP2040 データシートの UART フレーム スタートビット ：待機中の信号線は H。L に切り替えた瞬間が送信開始の合図 データビット ：5〜8bit のデータをまとめて送る。通常は 8bit パリティビット ：通信データが化けていないか検算するビット。あまり使わない ストップビット ：通信終了を示すため H に戻す。通常は 1bit Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 18

4.4 HALの入り口

4.4 ソフトウェアからはHALを使ってデータを送信する。 ソフトウェアからは uart_write_blocking から叩く。その中身は？ uint8_t buf[] = { 'H' , 'i' }; uart_write_blocking (uart0, buf, 2 ); // uart0 に 2 バイトを送る 最も簡単なのが uart_write_blocking （バイト列をそのまま UART へ） Week 1 で gpio_put を追ったのと同じように、仕組みを調べてみる （参考） HAL ：Hardware Abstraction Layer どういうこと？ この関数は、すべてのデータが UART 送信バッファ・ハードウェアに送信されるまで処理をブロックします。 注：シリアルデータの送信は、Tx FIFO および送信シフトレジスタ（プログラマからは直接アクセス不可）が空になるまで継続します。UART FIFO が空になったことを確認するには、 uart_tx_wait_blocking() を使用できます。 Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 19

4.5 HALからハードウェアまで

4.5 HAL からマイコンのハードウェアまで FIFO に数値を書き込むまでがソフトの仕事、後の通信はペリフェラルの仕事 ① 送信したいデータ HAL がUARTのペリフェラルに数値を書く ② Tx FIFO 送信の順番待ちの列に貯める ③ 送信シフトレジスタ フレームを組み立てる ④ UARTTXD（物理的なピン） 1ビットずつデータが送信される ソフトとハードの境界を知らないと良いソフトは書けない。 SDKの記述： この関数は、すべてのデータが UART 送信バッファ・ハードウェアに送信されるまで処理をブロックします。 注：シリアルデータの送信は、Tx FIFO および送信シフトレジスタ（プログラマからは直接アクセス不可）が空になるまで継続します。UART FIFO が空になったことを確認するには、 uart_tx_wait_blocking() を使用できます。 FIFO（First In, First Out）＝ 順番待ちの列 RP2040 データシート UART 機能ブロック図。32×8 送信 FIFO・Transmitter・Baud rate generator Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 20

5 SPI

第 5 章 SPI Serial Peripheral Interface クロックを共有する同期式。CS で相手を1つ選び、1対多にもできる。 3本を共有し、CS は相手ごとに1本。選ばれた1台と通信

5.1 4本の線

5.1 4本の線：SCLK・MOSI・MISO・CS 名前が信号の向きを示す。MOSI 同士・MISO 同士をつなぐ SCLK： Serial Clock。マスタがクロックを決める MOSI： Master Out Slave In。マスタ → スレーブ MISO： Master In Slave Out。スレーブ → マスタ CS： Chip Select。通信相手を選択する SCLK・MOSI・CS はマスタから、MISO はスレーブから Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 22

5.2 CS

5.2 CS：相手を1つ選んでから話す 3本は共有、CS を L にされた1つのスレーブが通信に応答する スレーブが複数でも、SCLK・MOSI・MISO の3本は全員で共有 CS だけは相手ごとに1本ずつ。L にした相手だけが参加 デメリット： 相手が1つ増えるたびに CS が1本増える 3本は共有、CS は相手ごとに1本。CS2 だけが L で選択中 Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 23

5.3 CPOL/CPHA

5.3 CPOL と CPHA "モード"という設定もある。 CPOL（極性）： クロックが休んでいるとき H か L か CPHA（位相）： クロックのどのエッジでデータを読むか 組み合わせで4モード。部品のデータシートが指定する。 MCP3008 データシートの SPI タイミング図（抜粋） Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 24

5.4 MCP3008

5.4 模擬衛星の実例：MCP3008（ADC） 回路図に SPI_CLK・MOSI・MISO・CS の4本がある MCP3008： 明るさセンサ・回転数計のアナログ値をデジタルに変換 回路図のネット：SPI_CLK・SPI_MOSI・SPI_MISO・SPI_CS の4本 模擬衛星の回路図の MCP3008 まわり。SPI の4本のネットが見える Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 25

6 I2C

第 6 章 I2C Inter-Integrated Circuit SDA・SCL の2本だけを全員で共有し、 相手は通信データの先頭に置くアドレスで選ぶバス方式。 SDA・SCL の2本に、マスタとスレーブ全員がぶら下がる

6.1 共有バスの問い

6.1 共有バスの競合を防ぐ 1本の線を全員で共有しても壊れないのはなぜ？ SDA・SCL は、マスタもスレーブも全員がぶら下がる共有線（ バス ） 普通の出力（H も L も出せる）どうしだと、H と L がぶつかった瞬間に 電源と GND が綱引き 綱引き＝大電流。ピンが壊れかねない危険な状態 I2C は 出力の形 を工夫し、この衝突を原理的に防ぐ（次で回収） SDA・SCL の2本に、マスタとスレーブ全員がぶら下がる Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 27

6.2 プッシュプルvsオープンドレイン

6.2 出力の形：プッシュプル vs オープンドレイン 衝突すると短絡するプッシュプルを避け、L に引くだけのオープンドレインを使う × プッシュプル（普通の出力） H と L がぶつかると、電源→GND が直結して 短絡 。大電流でピンが壊れる ○ オープンドレイン（I2C が採用） L に引くだけ で H を出せない。綱引きが起きず、短絡しない Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 28

6.3 外部プルアップ

6.3 H を作る係：外部プルアップ L にしか引けないから、線の H は外部プルアップ抵抗が作る オープンドレインは L に引くだけ → 待機時の H は自然には出てこない 外部プルアップ抵抗 が線を電源側へ弱く引き、待機状態を H にする 「弱く」がポイント：誰かが L に引けば、そちらが勝つ（ ワイヤードAND ）。抵抗経由なので電流も小さく安全 抵抗を忘れると線は H に戻れず通信不能。内蔵プルアップは設定依存の救済、規格の約束は 外部プルアップ プルアップがあれば放置で H、外すと線は浮いたまま H に戻れない Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 29

6.4 発展：競合の回避と発生

6.4 発展 ／ 聞き流してよい 基本は競合しない。ただしマルチマスタや ACK では競合が起こりうる 通常時は競合しない 全員が SCL のクロックに同期し、ある瞬間に線を駆動するのは基本1台だけ。話す順番が決まっているので、普段はぶつからない。 マルチマスタ：アービトレーション マスタが複数いて同時に開始しても、ワイヤードANDで L が勝つ 。自分は H を出したのに線が L なら負けと検知し、静かに降りる。勝った側の通信は壊れない。 ACK / NACK の送信タイミング 各バイトの 9クロック目 だけ、受信側が SDA を L に引けば ACK、引かなければ NACK。送信の主が一瞬入れ替わる、決められた受け渡し。 クロックストレッチ スレーブが SCL を L に保持 し続け、処理が追いつくまでマスタを待たせる。合図の線を止めて時間を稼ぐ。 Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 30

6.5 IMUの1kΩ

6.5 実物で確認：IMU の回路図にいる 1kΩ IMU の SDA・SCL に、1kΩ プルアップ R5・R6 が実装されている IMU（ICM-42688）は I2C 接続：ネット名 IMU_SDA・IMU_SCL R5・R6（1kΩ）が +3.3V へつながる。これがプルアップ抵抗 「外部プルアップ必須」の約束が、部品2個として写っている 逆読み：回路図でプルアップを見たら共有バスかもしれない 模擬衛星の IMU まわりの回路図。SDA・SCL の 1kΩ プルアップが見える Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 31

6.6 転送のシーケンス

6.6 転送のシーケンス：アドレス→ACK→データ→ACK 転送はアドレス→ACK→データ→ACK の往復で進む I2C バス上のデータ転送の実波形（RP2040 データシート）。アドレスに ACK が返り、データが続く 約束： 1バイト受け取るごとに受け手が ACK（受け取った）を返す NACK （返事なし）＝相手がいない・名前が違う・相手が不調 転送はアドレス→ACK→データ→ACK の往復で進む Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 32

6.7 START/STOP

6.7 START と STOP：会話の開始と終了の合図 SCL が H の間に SDA を動かす例外が、開始・終了の合図になる START・STOP コンディション（RP2040 データシート）。S・P の合図と、データを変えてよい区間 通常ルール：SDA を変えてよいのは SCL が L の間だけ START ＝SCL が H のまま SDA が H→L ／ STOP ＝L→H 通常データでは起きない動きなので、会話の切れ目を全員が見分ける Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 33

6.8 アドレス

6.8 アドレスのフォーマット：先頭7ビットで相手を選ぶ 会話の先頭に宛先を流して選ぶ。相手選択を意味の層で解く 7ビットアドレスのフォーマット：S・A6〜A0・R/W・ACK（RP2040 データシート） 各スレーブは固有のアドレス（7ビットが代表）を持つ START の直後にアドレスが流れ、自分宛のスレーブだけが ACK を返す アドレスの直後の1ビットが、読み書きの向き（R/W） 同じ「相手の選択」でも SPI＝電気の層（専用線 CS）／ I2C＝意味の層（宛先ビット） Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 34

6.9 書き込み

6.9 書き込みの手順：マスタ→スレーブ アドレスとデータをマスタが送り、1バイトごとの ACK をスレーブが返す 書き込み（Master-Transmitter）の手順（RP2040 データシート）。A=ACK・Ā=NACK S → アドレス＋向き（書き込み）→ ACK → データ → ACK → … → P 図の塗り分け：塗り＝マスタ→スレーブ、白＝スレーブ→マスタ データはすべてマスタ側、ACK だけがスレーブ側 Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 35

6.10 読み出し

6.10 読み出しの手順：スレーブ→マスタ データの向きが逆になり、最後は NACK で「終わり」を伝える 読み出し（Master-Receiver）の手順（RP2040 データシート）。最後の1バイトだけ NACK（Ā） S → アドレス＋向き（読み出し）→ ACK → データ → … → 最後は NACK → P 塗り分けが反転：データは白（スレーブ→マスタ）、ACK は塗り（マスタ→スレーブ） 最後の NACK は故障ではなく「これで終わりにする」の合図 Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 36

7 使い分け

第 7 章 まとめ：規格の​​​​整理と​​​​模擬衛星での​​​​利用 今日学んだ規格を整理し、模擬衛星の基板でどこにどれが使われているかを確認する。

7.1 特徴マトリクス

7.1 特徴マトリクス：迷ったときに戻る索引 暗記や選定の道具ではなく、配線・実装で迷ったときの索引 規格 線の数 タイミング 相手の数と選び方 模擬衛星での役割 UART 2（TX/RX） 非同期（ボーレート合意） 1対1 デバッグ出力（シリアルログ） SPI 4＋相手が増えたら CS 追加 同期 複数。CS の線で選ぶ ADC（MCP3008） I2C 2（SDA/SCL） 同期 複数。アドレスで選ぶ IMU、カメラの設定 カメラのパラレルバス 8＋同期線 同期 1対1 カメラの画像データ Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 38

7.2 基板で使い分け

7.2 模擬衛星での使い分け IMU=I2C、ADC=SPI、デバッグ=UART、カメラ=パラレル＋I2C IMU：I2C （IMU_SDA・IMU_SCL）。少量を2本で。プルアップ実装済み ADC：SPI （SPI_CLK・MOSI・MISO・CS）。4ch の周期的な読み出し デバッグ：UART （TX・RX）。PC と1対1。今日その下まで追った道 カメラ： 画像はパラレル12本、設定は I2C（CAM_SDA・CAM_SCL）の併用 模擬衛星のメイン基板。今日の4規格が同居している Week 2 ハードウェア間通信プロトコル 39

8 次回予告

第 8 章 次回予告：Week 3 センサとの通信と波形観測 MPU6050 を題材に、存在確認・設定・読み出しの3段で通信する 題材は IMU（MPU6050）。初見のセンサと通信を始める「3段の型」 ①存在確認 ②設定 ③データ読み出し。 センサが変わっても通用する型 見えない信号を波形として観測（ロジックアナライザとオシロ） 正常な波形を見た後、その場で壊す。今日の層の視点で切り分ける Week 3 の題材になる MPU6050 搭載モジュール