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＜ＰＩＣの使い方＞

ＰＩＣというMicrochip社のワンチップコンピュータがあります。その使い方についてブログ「作って試して」にシリーズで書いたのですが、散発的な記事になっていますので、以下にまとめておきます。ブログでの構成は次の通りでした。

ＰＩＣは１チップの制御用プロセッサであり、デジタル入出力とアナログ入力を備え、チップの内部でコントロールや簡単な演算処理を行うことができますので、プログラムができれば電子回路が非常に簡単になります。入力信号を処理し、なんらかの判定をして、適切なパルスを出す、というような動作はＰＩＣで容易に実現できます。

しかし、ＰＩＣはれっきとしたコンピュータですので、初めて使うときにはかなりの壁が立ちはだかります。ＰＩＣを使うためには、ＰＩＣを使うための準備をし、知識を十分に溜め込んでから、プログラムと回路の開発を行うことになります。ここでは、以下の順に書くことにします。

１．ＰＩＣプログラム開発に必要なものの準備

ＰＩＣを使うために必要になるものを並べると以下のようになります。それらについて順に書きます。

1.1　アセンブラとコンパイラ

ＰＩＣは、一つのチップでコンピュータになっていますので、プログラムの作成が必要です。つまり、アセンブラ言語やコンパイラ言語でプログラムを記述しそれを機械語に変換します。そのためには、アセンブラや、あるいはＢＡＳＩＣやＣ言語のようなコンパイラを使うことになります。私の場合は、あまり込み入ったプログラミングはしませんので、アセンブラの方が適しています。それで、マイクロチップ社の統合開発環境であるＭＰＬＡＢ　ＩＤＥのアセンブラ（MPLAB ASM）を使用しています。ＭＰＬＡＢＩＤＥはフリーソフトで、マイクロチップのサイトからダウンロードできます。

コンパイラは未だ使ったことはありませんが、アセンブラでは手に負えなくなったらそのうちに使ってみようと思っています。入門用に、フリーで入手できるＣコンパイラを以下に記します。

ＰＩＣ開発環境については、マイクロファン　ラボにも分かりやすく解説されています。

1.2　プログラム書き込み装置

ＰＩＣプログラマ（ライタとも呼ばれる）装置で、ＰＣで作ったＰＩＣ用のプログラム（機械語）をＰＩＣに書き込みます。ＰＩＣの中のメモリにプログラムを書き込むための回路とＰＣとの接続のためのケーブルから成っています。純正品から自作までいろいろな種類の装置がありますが、私は、秋月電子通商のAKI-PICプログラマを使っています。写真の右側手前にある装置です。使い方については、改めて書きます。

初めてＰＩＣを使うのであれば、マイクロチップ純正の装置がよいかもしれません。対応しているＰＩＣの種類が多く、デバッグがしやすいというメリットがあります。Microchip社の製品としては、PICkit2やMPLAB ICD2等があります。他の人の意見をみると、PICkit2がお勧めのようです。私はこれらの装置を使ったことがありませんので、詳細については例えば後閑哲也さんの電子工作の実験室などを参考にして下さい。

1.3　電子回路の実験装置

ブレッドボードと呼ばれる電子回路の実験のための汎用基板を用意しておくと便利です。下の写真の手前左側のボードです。電源はＤＣ５Ｖ程度のものを用意しておくのが一般的なようですが、私は、大抵、乾電池２個で動作させることが多いため、ブレッドボードに電池ボックスをいつも載せてあります。その場合、電圧は３Ｖ程度ですので、使えるＰＩＣの種類、クロック周波数にかなりの制約があります。

ブレッドボードについては、例えば、「ブレッドボードって何だ」も参考になります。

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1.4　測定器

私は、二、三十年前に買ったテスター、数年前に買ったディジタルオシロ（写真の正面）を必要に応じて使っています。オシロは、ＯＷＯＮ製のＰＤＳ５０２２Ｓです。このブログで紹介している機器の開発においては、何の不満もなく使えています。

1.5　ＰＩＣ

ＰＩＣには実に様々な種類が用意されています。ＰＩＣの種類毎にマニュアルが用意されています。入出力の種類、クロック速度、メモリの大きさ、処理能力、ピン数、電源範囲などを考慮し種類を選びます。

ＰＩＣについては、後閑哲也さんの電子工作の実験室他を覗いてみて下さい。

1.6　ＰＩＣのマニュアル

用途と使用環境を基にＰＩＣの候補を決めたら、ＰＩＣのマニュアルを入手します。Microchip社のサイトでダウンロードできます。英語版が基本ですが、少し日本語版もあるようです。

以上、ざっと書きましたが、これらについては、「ＰＩＣを始めよう」の「Project １　とにかく ＰＩＣを動かしてみる」の「Step 1、必要なものを用意しよう」が参考になります。とても懇切丁寧にかかれています。但し、1.2のプログラマに関しては、私は、「ＰＩＣを始めよう」で使っている装置とは別の装置を使っています。

２．プログラミングの手順

次に、プログラミングについて具体的に書きます。とは言いましても、「ＰＩＣを始めよう」など、よくできたＨＰが沢山ありますので、それらＨＰを多数引用します。

2.1　開発用ソフトのインストール

インストールの必要があるのは、アセンブラ（又はコンパイラ）とＰＩＣプログラマ用のソフト（開発したソフトをＰＩＣに書き込むためのソフトとデバッガ）です。

アセンブラはマイクロチップ社の統合開発環境であるＭＰＬＡＢ　ＩＤＥのアセンブラ（MPLAB ASM）を用います。ダウンロードの仕方は、「ＰＩＣを始めよう」の「Project １　　とにかく ＰＩＣを動かしてみる」の「Step １、　必要なものを用意しよう」に書かれていますので、参照して下さい。今回ＰＩＣのプログラム開発に当たり、ＭＰＬＡＢのバージョンが変わっていたため、私もダウンロードしました。8.10にバージョンアップするために、私のＰＣで時間が10分程度掛かりました。

次は、プログラマ用ソフトのインストールです。秋月電子通商のAKI-PICプログラマを購入した方は、付属ＣＤの「PIC Programmer」をインストールします（その外のプログラマを購入した方は、その説明書に従って下さい）。「PIC Programmer」の付属ＣＤ内の「WIN」フォルダにある「SETUP.EXE」をダブルクリックするとインストールが開始します。インストールされたプログラムは、「PIC Programmer V4」となっています。

これで、プログラム開発の準備ができました。といいたいところですが、その前にしなければならないことがあります。

2.2　プログラミングする前に必須なこと

ここで、ＰＩＣとは何か、どんなものかを理解しおかねばなりません。つまり、ＰＩＣの構造と命令です。

とはいっても、最初の段階でＰＩＣを完全に理解するのは非常に難しいことですし、又、完全に理解する必要はありません。始めは大まかに理解するだけでよいでしょう。実際にプログラミングを開始すると、必要に迫られて少しずつ理解が進みます。又、そのときに本当に理解できるようになります。

さて、ＰＩＣの構造と命令をざっと理解するにはどうしたらよいか。そうです。インタネットで探しましょう。例えば、後閑哲也さんの「電子工作の実験室」の「ＰＩＣの基礎」はとても参考になります。また、「ＰＩＣを始めよう」の「Project１ とにかく ＰＩＣを動かしてみる」の「Step ２、　PIC の基本構造」もいいでしょう。「ＰＩＣで遊ぶ電子工作」の「４章．ＰＩＣの基礎」も参考になります。あるいは、ＰＩＣに関する解説書を一冊購入しておくと便利です。

2.3　プログラミングに取り掛かる

以上の準備ができたところで、プログラミングに取り掛かります。ＭＰＬＡＢ　ＩＤＥを用いてプログラム開発するときは、最初にプロジェクトを作成するなどの手順が必要になります。先ずはまねをしてやってみるとよいでしょう。プログラミングの手順は次のとおりです。

プロジェクトを生成する手順については、初めての方は、「ＰＩＣで遊ぶ電子工作」の「３章　第一ステップ（動かしてみる）」の「プログラムをつくる」を参考にして下さい。

なお、ＭＰＬＡＢ　ＩＤＥにはＰＩＣの機種毎にプログラムのテンプレートなどが準備されていますので、それを使うと便利です。その場合、の「ＰＩＣを始めよう」の「Project １ とにかく ＰＩＣを動かしてみる」の「Step ３、　PIC12F675 プログラミングの準備」が分かりやくて便利です。ここでは、PIC12F675について書かれていますが、他のＰＩＣを使う場合も類推できると思います。

アセンブラでプログラムを書く際、始めのうちは、何もないところから書き始めるのは至難の業です。お手本になるプログラムを探し出し、それを修正しながら目的のプログラムを作り上げることができると少しは楽かと思います。

３．ＰＩＣへの書き込み

ここでは、プログラムをＰＩＣに書き込む方法について書きます。内容は以下のとおりです。

3.1　ＰＩＣのプログラムのデバッグの流れ

プログラムができたら、プログラムが正しく記述されているかどうか調べる必要があります。そのためにできる仕掛けは、二つあります。一つは、プログラムが正しく書かれているか否かをソフト的に確認（シミュレート）する方法です。もう一つは、ＰＩＣを実際の回路の中で全体的な動作を確認しながらプログラムを調べる方法です。

具体的に書きますと、前者の場合は、ＭＰＬＡＢのデバッガ（MPLAB SIM）を使いソフト的にデバッグを行います。後者の場合は、ＰＩＣにプログラムを書き込んでＰＩＣを実際の回路に実装し、それから回路のチェックとソフトのチェックを同時に行います。つまり、プログラミング→ＭＰＬＡＢによるデバッグ→ＰＩＣへの書き込み→実回路で動作チェック（ソフトとハードのデバッグ）、という流れになります。なお、後ろに書きますが、ＰＩＣプログラマには、これらの処理を効率よく行う機能を持ったものがあります。

このブログでは、どのような流れで記述するか少し迷いましたが、上述のようにいろいろな手法がありますので、今回は先ずＰＩＣへの書き込みだけを書き、デバッグについては、次回書くことにしました。

3.2　ＰＩＣへのプログラムの書き込み

ＰＩＣへのプログラムの書き込みを行う装置を、ＰＩＣプログラマあるいはＰＩＣライタなどと呼ぶようです。ＰＩＣプログラマとしては様々な装置がありますが、実際の回路にＰＩＣを実装したままでプログラムの書き込みと実行の制御（回路に実装したままデバッグ）のできるＩＣＥタイプと、ＰＩＣへの書き込み機能（実際の回路から外して書き込む）のみを持つ単機能タイプとがあります。ＰＩＣ販売元であるMicrochip社の製品は、PICkit2やMPLAB ICD2等、前者のタイプで、デバッグがしやすく、又、対応しているＰＩＣの種類が多いというメリットがあります。他の人の意見をみると、PICkit2がお勧めのようです。私はこれらの装置を使ったことがありませんので、詳細については例えば後閑哲也さんの「電子工作の実験室」などを参考にして下さい。

私は、秋月電子通商のＰＩＣプログラマ（AKI-PICプログラマ）を使っています。この装置はプログラムの書き込みのみを行うタイプです。

AKI-PICプログラマを使うには、先ず、ＰＣにＰＩＣプログラマを接続します。基本的にはＲＳ２３２Ｃケーブルを使いますが、ＵＳＢケーブルも使えるようになっています。接続方法は、それらのマニュアルを参考にして下さい。

では、ＭＰＬＡＢで機械語に翻訳したプログラム（HECファイル）をＰＩＣに書き込みましょう。先ず、ＰＩＣライタに付属しているソフト（Pic ProgrammerV4）起動します。画面がでましたら、「デバイス選択」でＰＩＣの選択をし、「ＨＥＸロード」をクリックして機械語になったプログラム（.HEX）を指定します。プログラムを書き込むためのＰＩＣチップをAKI-PICプログラマの指定されたＩＣソケットに挿入（画面に表示されます）し、その後、「プログラム」をクリックするとプログラムの書き込みが開始します。なお、、「ＰＩＣで遊ぶ電子工作」の３章．第１ステップ（動かしてみる）（４）プログラムをＰＩＣに書き込む、に図入りで説明がありますので参考にして下さい。

書き込みが終了しましたら、ＰＩＣプログラマからＰＩＣを外し、回路に実装して回路とプログラムの検査となります。デバッグについては次回書きます。

４．プログラムのデバッグと電子回路の検査

機械語に翻訳したプログラムのデバッグの仕方について書きます。

ＰＩＣのデバッグには、プログラムをＰＩＣに書き込む前に行うデバッグと、プログラムを書き込んだＰＩＣを回路に実装した形で行うデバッグがあります。前者は、ＰＣ上でのシミュレーションということになり、統合開発環境であるＭＰＬＡＢ（MPLAB IDE）が使えます。また、回路に実装した後のデバッグでは、オシロスコープやその他の検査器具を使うことになり、ごく普通の回路検査のイメージで、回路に検査用の回路を付加することもあります。なお、Microchip社のＩＣＥタイプのＰＩＣプログラマを用いると、ＰＩＣを回路に実装したままプログラムを書き込んだり、実行の制御をしながらデバッグを行うことができますので、ＰＩＣを抜き差しする必要がなくなります。

4.1　ＭＰＬＡＢを使ったデバッグ

ＭＰＬＡＢのアセンブラ（MPLAB ASM）を用いてプログラムを作成（機械語に翻訳）すると、ＨＥＸファイルが作られます。このようにしてできたプログラムをＰＣ上でシミュレーションすることができます。このような機能（デバッガ）がＭＰＬＡＢに用意されており、MPLAB SIMといいます。先ず、ＭＰＬＡＢ（MPLAB IDE）のメニュー「Debugger」から「Select Tool」、「MPLAB SIM」でデバッガ（シミュレータ）を有効にしておきます。そうすると、アセンブル（機械語に翻訳）した結果にエラーがなかったとすれば、ＰＩＣプログラムのスタート命令にカーソルが動き、デバッグができるようになります。このデバッガ（シミュレータ）の操作法については、「ＰＩＣを始めよう」の「Project1とにかく ＰＩＣを動かしてみる」の「Step ７、　ＰＣ上で シュミレーションしてみる」に詳細に書かれています。参考にして下さい。

MPLAB SIMを使ってできるのは、主として、レジスタの操作と演算に係わる部分です。割り込みについても、流れを追うことはできます。しかし、実際の時間関係は殆ど分かりません。時間が絡む部分の検査は実際の回路で行わざるを得ません。

4.2　回路に実装して行うデバッグ（プログラムと回路の同時検査）

ＩＣＥを使うと、ＰＩＣを回路に実装したままプログラムを書き込んだり、実行の制御をしながらデバッグを行うことができることを書きましたが、私は、ＩＣＥを使っていません。

電子回路は既にできているか、あるいは、ブレッドボードに配線してあるものとします。先ず、アセンブル（機械語に翻訳）したプログラム（ＨＥＸファイル）をＰＩＣに書き込みます。そのＰＩＣを実際の回路に挿入します。そこで、プログラムと配線の間違い探しです。この段階では、テスト用の回路を付加的に組み込んだり、いろいろな工夫が必要です。知恵の絞り方のうまさ加減が試されます。

なお、回路の検査の初期の段階では、ＰＩＣの出力端子にＰＩＣの動作が判断できる信号を出力するようにプログラムしておくのが、非常に強力な手法です。動作が確認でき次第、そのような付加的なプログラムを削り、本来のプログラムに直していきます。この際、何度もＰＩＣを抜き差しして、実際の回路とＰＩＣプログラマの間で入れ替えることになります。

５．プログラム開発手法

今迄、ＰＩＣのプログラム開発に際して必要なソフトと機器の使い方について書いてきました。ところで、プログラム開発の全体の流れは、いったいどのようになるのでしょうか。

組織的に行う場合には、要求仕様の明確化、システム設計・・と、手順を追って進めることが必須です。しかし、私のように一人で開発する場合、おまけに、ＰＩＣそのものの動作・仕様を完全には理解していない状態でプログラム開発をスタートする場合には、それとは違った方法を使うことになるでしょう。つまり、基本的な部分を先に作り、徐々に機能を増やしていくプロトタイピングです。私の場、私がユーザでプログラマでもあり、おまけにシステム・技術をよく分かっていない状態での、いわば「一人プロトタイピング」とでもいう状況になります。

また、何度も修正しながら出来上がったプログラムを、後できちんとした形に作り直すことも面倒くさくなってしまうことも多いものです。それをスマートにいうと、進化的プロトタイピングということになりそうです。しかし、最初の基礎検討・基本仕様の決定をきちんとやっておいたとしても、そもそもの理解が不十分であれば、基本部分でさえもいろいろ試しながら作ることも多いわけです。従って、進化的プロトタイピングと使い捨て型プロトタイピングを併用することになります。このような手法は、表面だけ捉えるとオペレーショナルプロトタイピングと呼ぶ高尚な手法に似ています。非常に格好よく聞こえますね。とはいっても、私の場合は実態は「お気楽プロトタイピング」でしょう。

結論としては、自分で勉強しながら作る場合は、なんでもありだと思います。硬いことをいわずに気楽にいきましょう。使っているうちに覚えます。