ハードウェア間
通信プロトコル

補講（電子回路） → Week 1 → Week 2（今日） → Week 3 → Week 4 → Week 5〜

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

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

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

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

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

第 2 章

なぜ通信規格が複数あるのか

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

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

第 3 章

個別規格の前に：共通の語彙

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

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

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

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：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

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

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

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。

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

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

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：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

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

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）

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

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

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

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

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

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

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

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

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）

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

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

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：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

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

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