日記帳だ! with Tux on Libserver

今日は年賀状を印刷したり、卒業論文を書いたりしてた。結局年賀状は明日出す。

ここでは冬休み前にやったマイコンでのLCD制御の話を書いておこうと思う。

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LCDだが、日立のHD44780互換のチップで制御している。

OKIセミコンダクタのMSM6222B-01という互換チップのデータシートが見やすい。

MSM6222B-01データシート(pdf) (OKIセミコンダクタ)

これと、mbedのCookBookを参考に書いてみた。

TextLCD.cpp (mbed)

特にピンの数を節約する理由もないので8bitインターフェースでやってみた。

LCD制御用にGPIOを追加して、GPIOの1ch目はデータ端子を8bit、2ch目はE,RS,RWの3bitを割りあてた。

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せっかくC++が使えるので、あまり意味は無いけどC++で書いてみた。

ヘッダファイル

#include "xgpio.h"
#include "xtmrctr.h"
class LCD{
public:
	LCD();
	void WriteChar(char c);
	void WriteString(char* str);
	void Clear(void);
	void uwait(int usec);
private:
	XGpio lcd;
	XTmrCtr timer;
	int x,y;
	void _write(int value,int mode);
};

コンストラクタで初期化して、WriteCharで1文字書き、WriteStringはWriteCharをたくさん実行。

それと中で何秒待つなど多く使うので、タイマのIPを追加してその機能を使って待つメソッドも作った。

ソースコード

#include "LCD.h"
#include "xparameters.h"
LCD::LCD():x(0),y(0){
	XTmrCtr_Initialize(&timer,XPAR_XPS_TIMER_0_DEVICE_ID);
	XTmrCtr_SetResetValue(&timer,0,0);
	XGpio_Initialize(&lcd,XPAR_LCD_OUT_DEVICE_ID);
	XGpio_DiscreteWrite(&lcd,2,0x4);//0b100
	uwait(15000);
	_write(0x30,0x0);
	uwait(1600);
	for(int i=0;i<3;i++){
		_write(0x30,0x0); //0b001100xx
		uwait(1600);
	}
	_write(0x38,0x0);	//0b00111xxx
	_write(0x0C,0x0);	//0b00001100
	_write(0x06,0x0); //0b00000110
	Clear();
}
void LCD::_write(int value,int mode){
	XGpio_DiscreteWrite(&lcd,1,value);
	XGpio_DiscreteWrite(&lcd,2,0x4|mode);//0b1YY (YY:mode)
	uwait(40);
	XGpio_DiscreteWrite(&lcd,2,0x0);//0b000
	uwait(40);
}
void LCD::Clear(void){
	_write(0x01,0x0);
	uwait(1600);
	x=0;y=0;
}
void LCD::WriteChar(char c){
	if(c=='\n'){
		x=0; y=(y==1?0:y+1);
	}else{
		_write(0x80|(y<<6)|x,0x0); //0b1R00CCCC(R:row,CCCC:col)
		_write(c,0x2);
		if(x==15){ x=0; y=(y==1?0:y+1); }
		else     { x++; }
	}
}
void LCD::WriteString(char* str){
	while(*str){ WriteChar(*str++); }
}
void LCD::uwait(int usec){
	XTmrCtr_Reset(&timer,0);
	XTmrCtr_Start(&timer,0);
	int clocks=(XPAR_CPU_CORE_CLOCK_FREQ_HZ/1000/1000)*usec;
	while(XTmrCtr_GetValue(&timer,0)<clocks);
	XTmrCtr_Stop(&timer,0);
}

LCDコントローラへの送信は専ら_writeメソッドで行っている。

modeはRS・RWへの出力の値を与える。0x0で共に0、0x2でRSのみ1という風に。

概ねmbedのソースコードそのまま。

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問題はどうやって何秒待つというのを実現するかだ。あまりMicroBlazeの例がなくて困った。

xps_timerを追加したら、XTmrCtr_Startでカウント開始して、XTmrCtr_Stopでカウント停止して、XTmrCtr_GetValueでカウントしたクロック数がわかることはわかった。

うまいやりかたが思いつかんかったので、カウントしていって値が規定の時間になったらカウントを止めて終わることにした。

実際どんなもんか知らんけどこれでちゃんと動いてるからいいのだと思う。

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これで早速LCDに”Hello,World!!\nOK”と改行を含んだ文字列を表示させたが、きちんと出てきた。

プッシュスイッチの左右で数字を増減させて、それをLCDに表示するプログラムを書いてみた。

#include "xparameters.h"
#include "xgpio.h"
#include "xtmrctr.h"
#include "LCD.h"
int main(void){
  XGpio btn;
  XGpio_Initialize(&btn,XPAR_BTNS_4BIT_DEVICE_ID);
  LCD lcd;
  int mode=0;
  bool btn_push=false,mode_changed=true;
  while(1){
    int btnout=XGpio_DiscreteRead(&btn,1);
    if(btn_push){
      if(btnout==0)  btn_push=false;
    }else{
      if(btnout&0x1){ //EAST
        mode=(mode==9 ? 0 : mode+1); btn_push=true; mode_changed=true;
      }else if(btnout&0x8){  //WEST
        mode=(mode==0 ? 9 : mode-1); btn_push=true; mode_changed=true;
      }
    }
    if(mode_changed){
      lcd.Clear();
      lcd.WriteString("MODE:");
      lcd.WriteChar('0'+mode);
      mode_changed=false;
    }
    lcd.uwait(100000);
  }
  return 0;
}

プッシュスイッチの値を100ms間隔で見に行って、押され始めたらmodeの値を増減させて、変更があったときだけLCDを書き換える。

簡単な記述でできるのはマイコンらしい話だ。ほんまにこれ論理回路で作るの大変。

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これでモードを変えることができるようになった。

このモードに応じて画像処理の内容を変えると言うことをやりたいと思っている。

そのとき状態をわかりやすく表示したかったのでLCDを使いたかった。

卒研の本質とは関係ないんだけどね。ただ個人的に興味があったのと、デバッグの助けにもなるかなと思ってね。

1日でできたんだから大した時間ロスでもなかったし、MicroBlazeのプログラミングの練習にもなってよかったかな。

また今日で今年の授業は終わり。

そして研究の進捗状況もよく、今年中に目標としていたことは十分完成した。

なので、今年はもう学校には行かないつもり。

研究室のみなさんに「良いお年を」と挨拶して帰った。

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ただ、卒業研究に関することを全くしないわけではない。

卒業論文を書くんですわ。冬休みに大部分を書き終えることが目標である。

それが僕の冬休みの宿題だ。

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卒業論文を書くためにちょっとデータを持ち帰ることにした。

作成したHDLのコードを持ち帰ることとした。

これを見ながらこれまでやったことを振り返ってまとめていこうとおもった。

ただ、データ取りは研究室でしかできないので、冬休み明けにこのへんはやろうと思う。

あと論文の書き方の資料も忘れず持ち帰ってきた。

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論文は使い慣れたOOoで書くことにした。予稿をMS Wordで書いて苦労したから。

というわけでOOoの設定をした。

余白・行数・1行の文字数が定められているので、これをまず設定した。

1ページ30行・1行40字なのでかなり詰めなければならない。10ptに設定せざる得なかった。

見出しは特に指定がなかったから、いつものようにゴシックで大きな字で書くことにした。

段落-配置のテキスト補助に合わせるを切らないと不細工なので、見出しについてはこれを切っておく。

通常の2行分の高さを使って見出しはつけることにした。

だいたい普段の設定でよかったが、見出し1は第N章とする必要があったのでそうしておいた。

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今日はとりあえずまえがきを書いてみた。

研究の背景であるマイコンでの画像処理の問題から始まって、ハードウエア的な並列処理、そしてFPGAの導入を書いてみた。

だいたいこんなもんだと思うけどね。

次はFPGAボードの話を書こうと思う。ぼちぼち書いていきましょうか。

XilinxのFPGAにXilinxの提供するマイコン、MicroBlazeを載せていたが、動作することが確認できた。

FPGAにマイコンを載せるというのはこういうことかというのは実際やってみるとよくわかるなと思った。

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さて、これまでFPGAの開発はISEを使ってきたが、MicroBlazeの開発にはXPSとSDKを使う。2つ合わせてEDKとして販売されている。

EDKのライセンスを指導教員に掘り出してきてもらってインストールした。

ISEでNew SourceでEmbedded Processorを選んで追加する。IPコアを追加するのと同じよ。

そして、このProcessorについてXPSを立ち上げて設定する。

XPSはMicroBlazeを作るソフトウエアですね。

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XPSではMicroBlazeを作るわけだが、ウイザードで使ってるFPGAボードをえらぶと適当なIPコアを装備したMicroBlazeを出してくれた。

LED・スイッチを使うためのGPIOと、RS232Cを使うためのUARTのIPコアが生成されたはず。

GPIOというのは汎用のI/Oポートという意味、ただのデジタル入出力ですね。

UARTというのは非同期のシリアルI/Oのことだな。RS232Cなどはこの仕組みでシリアル通信してる。

GPIOにしてもUARTにしても聞き慣れない名前だが、まぁ身近なもんです。

ウイザードで勝手にバスの接続やポートの割りあてやアドレスの割り当てはやってくれた。

自分でIPを追加する時はこのへんをXPSを操作してやる。

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それができたらISEに戻って論理合成する。

今回はMicroBlazeをトップレベルモジュールにした。

この場合はISEを使わなくても、XPSから論理合成できるはずだが、ISEからやってみる。

合成する前にUCF制約を書く。そして合成を行えばマイコンを作るのは完了。

必要な機能を選んでIPコアをつっこめば完成というわけで、このあたりがFPGAでマイコンを作るメリットなんだろう。

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次にプログラミングである。

プログラミングはEclipseベースの開発環境であるSDKを使いたい。

XPS自体でコンパイルもできるみたいなんだが、使い勝手はあまりよくなさそうなので。

まず、Generate Libraryでこのマイコンのライブラリを生成する。

そしてExport SDKでマイコンの設定をSDKに移す。そしたらあとの開発は全部SDKでできるようになる。

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SDKでのプログラミングだが、とりあえずGPIOの読み書きについてやってみた。

#include "xparameter.h"
#include "xgpio.h"
int main(void){
  XGpio led,sw;
  XGpio_Initialize(&led,XPAR_LED_out_DEVICE_ID);
  XGpio_Initialize(&sw ,XPAR_DIP_in_DEVICE_ID);
  while(1){
    u32 value=DiscreteRead(&sw,1);
    XGpio_DiscreteWrite(&led,1,value);
  }
  return 0;
}

DEVICE_IDはxparameter.hに宣言されている定数をもってくる。これは合成時に自動的に生成されるらしい。

それでGPIOを初期化して、そして読み書きすると。そういうことですね。

それでビルドすればいい。

ビルドが完了したらDownload to BitstreamでFPGAに書き込む。

合成したときに生成されたbitファイルと、Export SDKのときに作られたbmmファイルと、ビルドして生成されたelfファイルを与える。

これでメモリの部分を作成したプログラムに書き換えてくれる。そしてFPGAに転送してくれる。

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これで実行するとなんかLEDの左4つにDIPスイッチの値が表示された。

LEDは右から0,1,…,7の順番なので、普通は右から使われるものだと思うのだが。

調べると、MicroBlazeはPowerPCと同じくビッグエンディアンであって、0bit目がMSBで、N-1bit目がLSBだと書いてある。

これまで7bit目がMSBで、0bit目がLSBで使ってきたが、今は逆なのね。

しかしそれでは不便なので左から0,1,……,7の順番にして、一番左がMSBになるようにした。

まさかこんなことになってるとは思わなかった。

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まずはこれでLCDの制御をやってみようかなと考えている。

LCDは直接研究でやりたいこととは関係ないのだが、現在の状況を表示するのにちょうどいいしね。

RS232CでPCと接続して、PCのターミナルに状況を表示させるというのもありかとは思うのだが、やはりボード上にあるものを使いたいですし。

これを実現するに当たって、GPIOをソフトウエア的にいじるのがいいのか、

それとも自作IPを作って、それをソフトウエアで制御するのがいいのか、どっちなんでしょうね。

ただ、この先、画像処理モジュールをマイコンで制御するに当たっては自作IPも必要な気もするので、自作IP作りをしてみようかなと思うところ。

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ただ、とりあえず年内にマイコンを動かすという目標は達成できたからいいのかな。

明日、どれぐらい進むかよるが、とりあえず年末年始はあまり学校にいかなくてもよさそうです。

その代わり家で論文書くけどね。資料を持ち帰らんとな。