ESP8266 Direct Access Port で Ｌチカ

ESP8266 の GPIO を直接操作して「Ｌチカ」をしてみました。　　　　2016.02.18

「 Ｌチカ」は 電子工作の基本とでもいいましょうか 通常は digitalWrite 命令ですね。
Direct Access Port は digitalWrite を使用せず I/O をダイレクトに操作する方法です。
ちょっと上級者の気分になれるかも知れません。

digitalWrite 命令は 最高１MHzまでの信号を出力したり解析をする事ができます。
Direct Access Port 命令は 最高6MHzまで可能で 高速な処理をする場合に約に立つ
と思います。例えば32bit信号で25KHzの繰り返しの場合 Arduino UNO では性能
ぎりぎりですが ESP8266ならば かなり余裕が出てきます。

他にアナログデジタルコンバーター ADC 24bit になるとかなり高速な操作が必要で
ライブラリの中で高速処理を行っているようです。ライブラリーはある程度上級
者レベルですが スケッチレベルで高速処理ができる事になる訳です。

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スケッチ：Arduino IDE にある、01.Basics の Blink ができます。

#define PIN_OUT *(volatile uint32_t *)0x60000300
#define PIN_DIR *(volatile uint32_t *)0x6000030C
#define PIN_13  *(volatile uint32_t *)0x6000035C

void setup() {
  PIN_OUT = (1 << 13);
  PIN_DIR = (1 << 13);
}

void loop() {
  PIN_13 = 0;
  delay(1000);
  PIN_13 = 1;
  delay(1000);
}

事例は 13番ピンの GPIO13 を出力に指定し “1” 又は “0” を出力するものです。
以下のGPIO Registers表 に基づいて ピンに応じた アドレス を使用すると
他の GPIO も入出力がコントロールできる訳です。
GPIO Resistor 表から参照して 他のポートも試してみてください。

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追記：2016.02.19
最高速「Ｌチカ」：上記スケッチの delay を取り除き 不完全な無限ループ
＿　　ですが最高速の出力が得られます。
＿　　前回計測では 6.25MHz なのですが 実際には 5.764MHz でした。

void loop() {
  for(;;){
    PIN_13 = 0;
    PIN_13 = 1;
  }
}

宿題：無限ループはどのようにスケッチするか？
＿　　上記のスケッチは３秒に１度 0.25sec間 信号がでない場面があります。
＿　　while(1); でも同様です。goto文を使用するとしばらくして停止します。

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詳細：
GPIOを直接操作するには GPIO のアドレス(Registor)の把握とそのアドレス
＿　に #define で名前を定義します。
例：GPIO13(PIN_13)のアドレスは 「0x6000035C」です。
＿　名前の定義は、#define で行います。
＿　#define PIN_13  *(volatile uint32_t *)0x6000035C   となります。
＿　使用する時は、
＿　PIN_13 = 0;      // “0” を 13 bit ( 13番ピン) に出力する。
＿　PIN_13 = 1 ;     // “1” を 13 bit ( 13番ピン) に出力する。

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GPIO Registers（アドレス表）：

GPIO	ADDRESS	GPIO NAME	PIN
————-	———————–	————————————	—————————-
	0x60000300	GPIO_OUT	PIN_OUT
	0x60000304	GPIO_OUT_W1TS	PIN_OUT_SET:HIGH
	0x60000308	GPIO_OUT_W1TC	PIN_OUT_CLEAR
	0x6000030C	GPIO_ENABLE	PIN_DIR：入出力
	0x60000310	GPIO_ENABLE_W1TS	PIN_DIR_OUTPUT
	0x60000314	GPIO_ENABLE_W1TC	PIN_DIR_INPUT
	0x60000318	GPIO_IN	PIN_IN
	0x6000031C	GPIO_STATUS
	0x60000320	GPIO_STATUS_W1TS
	0x60000324	GPIO_STATUS_W1TC
GPIO 0	0x60000328	GPIO_PIN0	GPIO0_U,PIN_0
	0x6000032C	GPIO_PIN1	U0TXD_U
GPIO 2	0x60000330	GPIO_PIN2	GPIO2_U,PIN_2
	0x60000334	GPIO_PIN3	U0RXD_U
GPIO 4	0x60000338	GPIO_PIN4	GPIO4_U
GPIO 5	0x6000033C	GPIO_PIN5	GPIO5_U
	0x60000340	GPIO_PIN6	SD_CLK_U
	0x60000344	GPIO_PIN7	SD_DATA0_U
	0x60000348	GPIO_PIN8	SD_DATA1_U
	0x6000034C	GPIO_PIN9	SD_DATA2_U
	0x60000350	GPIO_PIN10	SD_DATA3_U
	0x60000354	GPIO_PIN11	SD_CMD_U
GPIO12	0x60000358	GPIO_PIN12	MTDI_U
GPIO13	0x6000035C	GPIO_PIN13	MTCK_U
GPIO14	0x60000360	GPIO_PIN14	MTMS_U
GPIO15	0x60000364	GPIO_PIN15	MTDO_U
	0x60000368	GPIO_SIGMA_DELTA
	0x6000036C	GPIO_RTC_CALIB_SYNC
	0x60000370	GPIO_RTC_CALIB_VALUE

 

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リンカースクリプトに追加する方法と使用方法。
注：不可視ファイルの中の操作は危険ですので上級者向けかも知れません。

「Arduino15」ファイル内の「eagle.app.v6.ld」に追加をします。
例：PROVIDE(PIN_OUT = 0x60000300);
スケッチでの宣言：extern uint32_t PIN_OUT;
スケッチでの使用方法：PIN_OUT = 0x01;
PROVIDE(PIN_OUT = 0x60000300);
PROVIDE(PIN_OUT_SET = 0x60000304);
PROVIDE(PIN_OUT_CLEAR = 0x60000308);
PROVIDE(PIN_DIR = 0x6000030C);
PROVIDE(PIN_DIR_OUTPUT = 0x60000310);
PROVIDE(PIN_DIR_INPUT = 0x60000314);
PROVIDE(PIN_IN = 0x60000318);
PROVIDE(PIN_0 = 0x60000328);
PROVIDE(PIN_2 = 0x60000330);

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初心のメモ：スケッチあれこれ。
PIN_DIR = (1<<0);                 // GPIO ０ の bit を “１” にする。HIGH
＿　　　　　　　　　　　   　//      出力方向：”１”は出力。”０”は入力。
PIN_DIR = (1<<2);                // GPIO ２ の bit を “１” にする。 100 <- 001
PIN_DIR = 5;                         // GPIO ２と０の bit を”１” にする。 101
PIN_DIR = (1<<2 | 1<<0);    // GPIO ２と０の bit を”１” にする。 101
PIN_DIR = 0x05;                   // GPIO ２と０の bit を”１” にする。 101
PIN_DIR = 0b101;                 // GPIO ２と０の bit を”１” にする。 101
PIN_DIR = (1<<13);              // GPIO １３の bit を”１” にする。HIGH
PIN_13 = 0;                           // GPIO １３の bit を”０” にする。LOW
PIN_13 = 1;                           // GPIO １３の bit を”１” にする。HIGH
PIN_OUT (1<<13);                // GPIO １３の bit を”１” にする。HIGH

 

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課題：
Direct Access Port を使いこなすには delayMicroseconds(us) に変わる
これ以下の delay が必要です。
命令のマシンサイクルが不明の為に マシンサイクルから算出したdelay
を使用する事ができない状態です。
Arduino UNOやDUEの場合は マシンサイクルが解っていいますので
ある命令は xx nsec delay として使うことが出来ました。

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参考：
JACK’s LAB：ESP8266 Memory Map：詳細なメモリーマップ。これは必見です。
ESP8266 Community Forum：gpio registers
blog.naver.com：[ESP8266] GPIO Direct Access [1]
blog.naver.com：[ESP8266] GPIO Direct Access [2]
blog.naver.com：[ESP8266] GPIO Direct Access [3]
blog.naver.com：[ESP8266] GPIO 출력방식에 따른 비교 분석：6.665MHz(150ns)
ESP8266 Pins list function, register, strapping

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感想：
JACK’s LABのESP8266 Memory Mapは大変参考になりました。アドレスを
理解すると様々なことが出来るかと思います。
[ESP8266] GPIO 출력방식에 따른 비교 분석には、6.665MHz(150ns) と
書かれており 私の測定値(6.25MHz,160nsec)とほぼ一致しています。

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