ESP8266 の GPIO 速度

ESP8266 のGPIOの速度を調べてみました。　　　　　　　　　　　　　　2016.02.16
＿　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　   追記及び改訂　2016.02.17
ESP8266 (32bit 80MHz:ESP8266EX) は 単純計算で Arduino UNO より５倍(80/16)速い。
3D CUBE with ESP8266 and OLED では その差が見えました。
では、実際の GPIO の速度はどうなのか？

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Lチカ等の速度を必要としないものは良いのですが、
周波数の高い信号の解析や信号を発生させる場合は 高速のGPIOを必要とします。
この為には、現在の速度の把握とGPIOへのダイレクト・アクセスが必要です。
注：測定器の性能が低い事と波形のひずみがある為に数値が不正確かも知れません。

ESP8266 は 32bit 80MHzに加えてWiFi 機能、D1 miniでの大きさは１/４。
ESP8266EXをArduinoに装着すれば 製品版の「WeMos D1」になる。
性能はArduinoより強力だが弱点はアナログ入力が１つである事。

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結論：
digitalWrite 命令の速度。
＿　ESP8266 は 最高 １MHz の周波数出力が可能である。
＿　ESP8266 は Arduino UNO に比べ１１倍の周波数を出力できる。
＿　ESP8266 は Arduino DUE に比べ    ５倍の周波数を出力できる。

Direct Access Port 命令の速度。
＿　ESP8266 は 最高 6.２MHz の周波数出力が可能である。
＿　ESP8266 は Arduino UNO に比べ１２倍の周波数を出力できる。
＿　ESP8266 は Arduino DUE に比べ 周波数は 約１/３倍である。

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Arduino UNO：digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, LOW);
最小幅：5.06 usec。1周期：10.56 usec。周波数：94.65 KHz。

Arduino UNO：PORT操作：PORTB = B11111111; 上記と比較の為時間軸を同じ。
最小幅：4.00 usec。1周期：999 nsec。周波数：500.0 KHz。

Arduino UNO：PORT操作：PORTB = B11111111;
最小幅：4.00 usec。1周期：999 nsec。周波数：500.0 KHz。

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DUE：digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, LOW);：この繰り返し
最小幅：2.47 usec。1周期：4.88 usec。周波数：204.8 KHz。

DUE：PORT操作：POUT(13,HIGH); POUT(13,LOW);：この繰り返し
最小幅：27.6 nsec。繰り返し幅：72.1 nsec。周波数：13.87 MHz。
注：測定器の精度により正しく測定されていません。

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ESP8266：void loop() {digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, LOW);}
最小幅：0.410 usec。LOOPによる遅延：6.17 usec。

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ESP8266：digitalWrite(13, HIGH); digitalWrite(13, LOW);：この繰り返し
最小幅：438 nsec。繰り返し幅：923 nsec。周波数：1.083 MHz。

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追記：2016.02.17
再測定：測定器の性能が低く測定できない事と、DUEの出力波形が歪んでいる為
＿　測定方法は２つのポートの時間差を比較する事とした。

DUE：PORT操作：POUT(13,HIGH); POUT(12,LOW);delayMicroseconds(1);：13 と 12 の差
最小幅：28 nsec。繰り返し幅：56 nsec。周波数：17.85 MHz。

ESP8266：PORT操作：PIN_0 = 1;PIN_2 = 1;delayMicroseconds(1);：GPIO_0 と 2 の差。
最小幅：80 nsec。繰り返し幅：160 nsec。周波数：6.25 MHz。

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詳細：
Arduinoでは以下に示す内容で高速アクセスが可能である。
Arduino UNO (8bit 16MHz:ATmega328P)：ダイレクトにアクセスできる命令がある。
＿　例：DDRD = B11111110; PORTD = B10101000;　参照：Arduino:Port Registers
＿　例：PORTB =_BV(1)|_BV(2);　　a = PINH & _BV(6) + _BV(5);
Arduino MEGA (8bit 16MHz：ATmega2560)：例：UNOと同様。
Arduino DUE  (32bit 84MHz：Atmel SAM3X8E ARM Cortex-M3)
＿　DUEはUNOのダイレクトアクセス命令は使用できないが以下で動作する。

//====================================================================
inline void POUT(int pin, boolean val){          // POUT:Port OUTPUT
  if(val) g_APinDescription[pin].pPort ->        // digitalWriteDirect
        PIO_SODR = g_APinDescription[pin].ulPin; //
  else    g_APinDescription[pin].pPort ->        //
        PIO_CODR = g_APinDescription[pin].ulPin; //
}                                                //
//====================================================================
inline int PIN(int pin){                         // PIN:Port INPUT
  return !!(g_APinDescription[pin].pPort ->      // digitalReadDirect
        PIO_PDSR & g_APinDescription[pin].ulPin);//
}                                                //
//====================================================================

POUT(13,HIGH);
a = PIN(13);

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ESP8266では以下に示す内容で高速アクセスが可能である。
今回測定のスケッチ：(事前準備が必要：参考を参照の事)

extern uint32_t PIN_OUT;
extern uint32_t PIN_DIR;
extern uint32_t PIN_0;
extern uint32_t PIN_2;

void setup() {
  PIN_OUT = 0b101;
  PIN_DIR = 0b101;
}

void loop() {
  PIN_0 = 0;
  PIN_2 = 0;
  delayMicroseconds(1);
  PIN_0 = 1;
  PIN_2 = 1;
  delayMicroseconds(1);
}

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参考：
ESP8266 DIRECT GPIO ACCESS：ネットでこの論議をしている場所。
＿　上記の内容で DIRECT GPIO ACCESS は可能です。
＿　これには、「Arduino15」ファイル内の「eagle.app.v6.ld」リンカースクリプトに追加をします。
＿　ユーザー/ライブラリーの不可視ファイルを開く必要があり、eagle.app.v6.ld の場所は、
＿　~/Library/Arduino15/packages/esp8266/hardware/esp8266/2.0.0/tools/sdk/ld/ です。
＿　eagle.app.v6.ld に上記に書かれている、PROVIDE(PIN_OUT = 0x60000300);　から
＿　　PROVIDE(PIN_0 = 0x60000328); までを追加すると この命令が使えるようになります。
＿　スケッチの定義は、extern uint32_t PIN_OUT; から extern uint32_t PIN_2; を記述します。
＿　それにより、PIN_IN、PIN_0、PIN_２が使用できるようになります。
＿　GPIO0とGPIO2 のみですが、他はアドレスとピンを追加すればよいかと思います。
＿　注：不可視ファイル内のリンカースクリプトを書き換える為、問題を起こす可能性があります。
＿　　　この件は上記の論議の中でされています。
追記：2016.02.18：「eagle.app.v6.ld」を書き換えずにスケッチを記述する方法があります。
＿　　この件は、後日記事にする予定です。
Neil kolban：Kolban’s Book on ESP8266：GPIOの詳細が書かれています。
esp8266.ru：ESP8266 Pins list function, register, strapping：GPIOのアドレス。

ESP8266/ESP32で遊んでます。：ESP8266で高速GPIOアクセス：　2017.09.17 追記。

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感想：
Arduino DUE の方法は、難しい表記ですが先人により実現しています。
追記：2016.02.17：FaceBookのESP8266環境向上委員会で永山氏からアドバイスを
＿　いただき DIRECT GPIO ACCESSの方法が判明しました。永山氏に感謝。
＿　DIRECT GPIO ACCESS では、DUE が ESP に比べ遥かに速く どういう事か疑問が起きる。
＿　特に ESP8266 の DIRECT GPIO ACCESS が想像よりも遅いのは残念です。
＿　測定を何度もしたがほぼ同じ結果。いくつか疑問がありますが今回はこれまでとしました。
＿　高速にアクセスできる事によりこれまで以上の事が出来るかも知れません。
＿　ESP8266 の DIRECT GPIO ACCESS による Lチカが出来ました。

extern uint32_t PIN_OUT;
extern uint32_t PIN_DIR;
extern uint32_t PIN_0;

void setup() {
  PIN_OUT = 0x01;
  PIN_DIR = 0x01;
}

void loop() {
  PIN_0 = 0;
  delay(1000);
  PIN_0 = 1;
  delay(1000);
}

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