rp2040_1.html (33618B)
1 <!DOCTYPE html> 2 <html> 3 <head> 4 <meta charset="utf-8" /> 5 <meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1" /> 6 <link rel="stylesheet" type="text/css" href="/style.css" /> 7 <link rel="icon" type="image/x-icon" href="/pics/favicon.ico" /> 8 <title>RP2040 SDKなしでLチカ</title> 9 </head> 10 <body> 11 <header> 12 <a href="/">主頁</a> | 13 <a href="/about.html">自己紹介</a> | 14 <a href="/journal">日記</a> | 15 <a href="/farm">農業</a> | 16 <a href="/kitchen">台所</a> | 17 <a href="/computer">電算機</a> | 18 <a href="/poetry">詩</a> | 19 <a href="/books">本棚</a> | 20 <a href="https://git.mtkn.jp">Git</a> 21 </header> 22 <main> 23 <article> 24 <h1>RP2040 SDKなしでLチカ</h1> 25 <time>2023-04-19</time> 26 27 <h2>はじめに</h2> 28 <p> 29 パタヘネのRISC-V<sup>[1]</sup>版を買って一通り読んだらアセンブリ言語で組込のプログラミングがしたくなった。RISC-Vのマイコンボードが欲しかったのだが、安くていい感じのものが見付からなかった。代わりに秋月電子通商でArmのものがあった。RP2040マイコンボードキット<sup>[2]</sup>というものである。ウェブ上の情報も多く、データシート<sup>[3]</sup>もしっかりしていそうなので、とりあえずこれを買ってみた。</p> 30 <p> 31 一般的にはSDK<sup>[4]</sup>をダウンロードしてあらかじめ用意されたライブラリを使って開発するようだが、これはビルドシステムとしてcmakeというのを使っている。これがOpenBSDでは何かエラーがでて動かなかった。僕はこういう便利ツールが嫌いだ。どうせ使わんからいいんやけど。関係ないけど途中から開発環境がLinuxに替わった。SDKには便利な関数がたくさん用意されているので楽である。ハードウェアの面倒な部分がプログラマから見えないようにしているからである。しかし今回はその面倒な部分に触れてみたくて買ったので、SDKを使うと意味がない。</p> 32 <p> 33 ということでSDKなしで開発してみる。とりあえず定番のLチカをば。</p> 34 <p> 35 ソースコード: <a href="https://git.mtkn.jp/rp2040">git</a> 36 </p> 37 38 <h2>動作環境</h2> 39 <ul> 40 <li>Arch Linux 6.2.12-arch1-1 41 <ul> 42 <li>arm-none-eabi-binutils 2.40-1</li> 43 <li>GNU Make 4.4.1</li> 44 </ul> 45 </li> 46 <li>OpenBSD 7.3 47 <ul> 48 <li>arm-none-eabi-binutils 2.31.1</li> 49 <li>make (バージョン?)</li> 50 </ul> 51 ※<code>make flash</code>は動かん。<code>dmesg</code>でデバイス確認して手動でマウントする必要がある。 52 </li> 53 </ul> 54 55 <h2>Boot Process</h2> 56 <p> 57 RP2040は電源を入れるといくつかの段階(ここでは関係ないので省略。データシート「2.8.1 Processor Controlled Boot Sequence」に詳しく書いてある)を踏んだあと、外部のフラッシュROMの先頭から256バイトを内部のSRAMにコピーして、フラッシュにプログラムが書き込まれているかどうか確認する。RP2040はフラッシュの先頭252バイトから計算したCRC32チェックサムを、直後の253バイト目から256バイトに記録することになっている。起動時にこのチェックサムを確認することで、フラッシュにプログラムが書き込まれているかどうか確かめている。コピーした最後の4バイトと起動時に最初の252バイトから計算したチェックサムが一致していれば、そのままコピーしてきた256バイトの先頭にPCをセットして実行を開始する。一致しなければUSBデバイスモードに切り替わり、パソコンに接続するとストレージとして認識される。このストレージにUF2という形式に変換したプログラムをコピーするとプログラムがフラッシュROMやSRAMに書き込まれる。 58 </p> 59 <p> 60 以上のことから、プログラムを実行するためにはCRC32を計算し、UF2という形式に変換することが必要である。ソースコードからの流れは以下の通り: 61 </p> 62 <pre>source bin bin with 63 code ---------> object ------> elf --------> bin -------> with --------> crc32 in 64 crc32 uf2 format 65 compile link objcopy bincrc bin2uf2 66 </pre> 67 68 <h2>CRC(巡回冗長検査)</h2> 69 <h3>基本</h3> 70 <p> 71 入力のデータをごにょごにょしてある値を出力する。<blockquote cite="https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%A1%E5%9B%9E%E5%86%97%E9%95%B7%E6%A4%9C%E6%9F%BB"> 72 <p> 73 データ転送等に伴う偶発的な誤りの検査によく使われている<sup>[5]</sup>。 74 </p> 75 </blockquote> 76 らしい。 77 </p> 78 <p> 79 入力のビットを一列に並べて、除数で「割り算」していく。この「割り算」が多項式の除算に似ているので、この除数をCRC多項式というらしい。ただし多項式の除算と違い、引き算するところをXORする。CRC32の場合、除数は33ビットである。33ビットで割ると32ビットの余りが残る。この余りがCRC32のチェックサムである。除数は色々あるようだが、標準的なものがWikipedia<sup>[5]</sup>に列挙されている。除数<code>1011</code>を使ったCRC3の計算の手順は以下の通り: 80 </p> 81 <pre><code>1110101011011100110101101101111 入力(適当) 82 1011 除数(4ビット) 83 ------------------------------- 84 101101011011100110101101101111 結果(入力と除数のXOR) 85 1011 86 ------------------------------ 87 00001011011100110101101101111 88 1011 89 ------------------------- 90 000011100110101101101111 91 1011 92 -------------------- 93 1010110101101101111 94 1011 95 ------------------- 96 001110101101101111 97 1011 98 ---------------- 99 101101101101111 100 1011 101 --------------- 102 00001101101111 103 1011 104 ---------- 105 110101111 106 1011 107 --------- 108 11001111 109 1011 110 -------- 111 1111111 112 1011 113 ------- 114 100111 115 1011 116 ------ 117 01011 118 1011 119 ---- 120 000 CRC3チェックサム 121 </code></pre> 122 <p> 123 普通の割り算と基本は同じであるが、引き算の部分だけXORになっている。</p> 124 125 <h3>細かいこと</h3> 126 <p> 127 以上の計算をプログラムの先頭252バイトに対して、33ビットの除数を用いて行う。データの並べ方は、上の例において左側を先頭に、フラッシュROM上の0番地から順に、各バイトは最上位ビットから順に並べる。入力のデータは253バイト目から256バイト目に<code>0</code>をひっつけて計算する。これは多分予め長さが分からないデータでも計算できるようにしたかったからかな。除数は<code>0x104c11db7</code>である(最上位ビットは常に1なのでデータシートでは省略されている)。</p> 128 <p> 129 入力データは1バイトづつ処理したいみたいである。多分通信等で使う都合である。この時XORは結合則が成り立つので1バイト処理した結果と次のバイトとをXORして次の処理の入力として利用することができる: 130 </p> 131 <pre><code>111000111000000110000110111000111000001010010011111000111000000110010011 入力(適当) 132 |......| 133 111000110000000000000000000000000 先頭1バイト 134 100000100110000010001110110110111 除数 135 ------------------------------------------------------------------------ 136 011000010110000010001110110110111 137 100000100110000010001110110110111 138 ----------------------------------------------------------------------- 139 010000001010000110010011011011001 140 100000100110000010001110110110111 141 ---------------------------------------------------------------------- 142 000000110010001110101000000000101 143 |......| 144 110010001110101000000000101000000 1バイト目の結果 145 |......| 146 10000001 入力の2バイト目 147 ---------------------------------------------------------------- 148 010010011110101000000000101000000 1バイト目の結果と2バイト目のXOR 149 100000100110000010001110110110111 除数 150 ---------------------------------------------------------------- 151 000100011011010010001111100110111 152 . 153 . 154 . 155 </code></pre> 156 <p> 157 以上の操作は以下のようなアルゴリズムのループで実装できる。</p> 158 <ul> 159 <li>前回の結果と、入力データの次のバイトをXOR</li> 160 <li> 161 <ul> 162 <li>先頭の1ビットが1の場合、除数とXORを取り左シフト</li> 163 <li>先頭の1ビットが0の場合、そのまま左シフト</li> 164 </ul> 165 </li> 166 </ul> 167 <p> 168 これを<code>for</code>ループで回す都合上、最初のバイトもXORを取る。上の例では最初は<code>0x0</code>とXORを取っているが、この値を<code>0x0</code>以外にすることもできる。そうした方がいろいろいいこともあるらしい。RP2040では<code>0xffffffff</code>を使う。更にこの工程を32ビットの<code>int</code>だけで行うことを考える: 169 </p> 170 <pre><code>111000111000000110000110111000111000001010010011111000111000000110010011 入力(適当) 171 172 11111111111111111111111111111111 0xffffffff 173 11100011000000000000000000000000 先頭1バイトを24ビットシフト 174 -------------------------------- XOR 175 00011100111111111111111111111111 176 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 177 -------------------------------- シフト 178 00111001111111111111111111111110 179 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 180 -------------------------------- シフト 181 01110011111111111111111111111100 182 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 183 -------------------------------- シフト 184 11100111111111111111111111111000 185 先頭1ビットが1なので1ビットシフトした後、除数の下位32ビットとXOR: 186 11001111111111111111111111110000 シフト 187 00000100110000010001110110110111 除数の下位32ビット 188 -------------------------------- XOR 189 11001011001111101110001001000111 190 先頭1ビットが1なので1ビットシフトした後、除数の下位32ビットとXOR: 191 10010110011111011100010010001110 192 00000100110000010001110110110111 除数の下位32ビット 193 -------------------------------- XOR 194 10010010101111001101100100111001 195 先頭1ビットが1なので1ビットシフトした後、除数の下位32ビットとXOR: 196 00100101011110011011001001110010 197 00000100110000010001110110110111 除数の下位32ビット 198 -------------------------------- XOR 199 00100001101110001010111111000101 200 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 201 -------------------------------- シフト 202 01000011011100010101111110001010 203 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 204 -------------------------------- シフト 205 10000110111000101011111100010100 1バイト目の結果 206 207 10000001 入力の2バイト目 208 -------------------------------- XOR 209 00000111111000101011111100010100 210 先頭1ビットが0なので1ビットシフト 211 -------------------------------- シフト 212 00001111110001010111111000101000 213 . 214 . 215 . 216 </code></pre> 217 <p> 218 これを実装したのが以下のコード:</p> 219 <pre><code>uint32_t 220 crc32(uint8_t *idata, size_t len) 221 { 222 uint32_t pol = 0x04C11DB7; 223 uint32_t c = 0xFFFFFFFF; 224 uint32_t b; 225 226 for (int i = 0; i < len; i++) { 227 b = idata[i] << 24; 228 c ^= b; 229 for (int j = 0; j < 8; j++) { 230 c = c >> 31 & 1 ? c << 1 ^ pol : c << 1; 231 } 232 } 233 234 return c; 235 } 236 </code></pre> 237 <p> 238 <code>main()</code>関数では上の<code>crc32()</code>に、<code>idata</code>として入力となるバイナリデータの先頭を、<code>len</code>として<code>252</code>を渡してCRC32を計算させる。その後、出力先のファイルに入力元のデータをコピーしていき、253バイト目から256バイト目だけ、計算したCRC32に置き換える。入力元のこの場所にデータが書き込まれていないかどうかは確かめていない。 239 </p> 240 241 <h2>UF2(USB Flashing Format)</h2> 242 <p> 243 Microsoftが開発したフラッシュ書き込み用のファイル形式らしい: 244 <blockquote cite="https://github.com/microsoft/uf2"> 245 <p> 246 UF2 is a file format, developed by Microsoft for PXT (also known as 247 Microsoft MakeCode), that is particularly suitable for flashing microcontrollers 248 over MSC (Mass Storage Class; aka removable flash drive)<sup>[6]</sup>. 249 </p> 250 </blockquote> 251 <p> 252 このファイルに変換する上で必要な情報はGitHubのmicrosoft/uf2<sup>[6]</sup>に表として纏められている: 253 <blockquote cite"https://github.com/microsoft/uf2"> 254 <table> 255 <thead><tr> 256 <th>Offset</th><th>Size</th><th>Value</th> 257 </tr></thead> 258 <tbody> 259 <tr> 260 <td>0</td> 261 <td>4</td> 262 <td>First magic number, <code>0x0A324655</code> (<code>"UF2\n"</code>)</td> 263 </tr> 264 <tr> 265 <td>4</td> 266 <td>4</td> 267 <td>Second magic number, <code>0x9E5D5157</code></td> 268 </tr> 269 <tr> 270 <td>8</td> 271 <td>4</td> 272 <td>Flags</td> 273 </tr> 274 <tr> 275 <td>12</td> 276 <td>4</td> 277 <td>Address in flash where the data should be written</td> 278 </tr> 279 <tr> 280 <td>16</td> 281 <td>4</td> 282 <td>Number of bytes used in data (often 256)</td> 283 </tr> 284 <tr> 285 <td>20</td> 286 <td>4</td> 287 <td>Sequential block number; starts at 0</td> 288 </tr> 289 <tr> 290 <td>24</td> 291 <td>4</td> 292 <td>Total number of blocks in file</td> 293 </tr> 294 <tr> 295 <td>28</td> 296 <td>4</td> 297 <td>File size or board family ID or zero</td> 298 </tr> 299 <tr> 300 <td>32</td> 301 <td>476</td> 302 <td>Data, padded with zeros</td> 303 </tr> 304 <tr> 305 <td>508</td> 306 <td>4</td> 307 <td>Final magic number, <code>0x0AB16F30</code></td> 308 </tr> 309 </tbody> 310 </table> 311 </blockquote> 312 313 <p> 314 RP2040のデータシート<sup>[3]</sup>「2.8.4.2 UF2 Format Details」を見ると、8バイト目のFlagsは、28バイト目にファミリーIDが書き込まれていることを示す<code>0x00002000</code>、12バイト目は、書き込みを行うフラッシュROMの先頭アドレスである<code>0x10000000</code>に、各ブロックの先頭からの位置を足したもの、16バイト目の、各ブロックのデータサイズは256バイト、28バイト目のファミリーIDは<code>0xe48bff56</code>である。あとは表の通り3つのマジックナンバーをセットし、32バイト目以降にデータを書き込み、20バイト目と24バイト目にブロックの通し番号と総数をそれぞれ書き込めばいい。ブロックの通し番号はデータのついでに書き込めるが、総数はデータを全部さばいた後でないと分からないので、最後全てのブロックにまとめて書き込むようにした。できたのが以下のコード: 315 </p> 316 <pre><code>#include <stdio.h> 317 #include <stdint.h> 318 #include <stdlib.h> 319 #include <string.h> 320 321 322 size_t 323 fwrite32l(uint32_t d, FILE *f) 324 { 325 int i; 326 uint8_t b; 327 for (i = 0; i < 32; i += 8) { 328 b = (uint8_t) (d >> i & 0xff); 329 fwrite(&b, 1, 1, f); 330 if (ferror(f)) { 331 fprintf(stderr, "Fwrite32l: write error.\n"); 332 return 0; 333 } 334 } 335 return 4; 336 } 337 338 int 339 main(int argc, char *argv[]) 340 { 341 FILE *src = NULL, *dst = NULL; 342 size_t sdata = 476; 343 int retnum = 0; 344 345 uint32_t mag1 = 0x0A324655; 346 uint32_t mag2 = 0x9E5D5157; 347 uint32_t flags = 0x00002000; // familyID present 348 uint32_t addr = 0x10000000; 349 uint32_t nbyte = 256; 350 uint32_t blk = 0; 351 uint32_t nblk = 0; 352 uint32_t famid = 0xe48bff56; 353 uint8_t data[sdata]; 354 uint32_t mag3 = 0x0AB16F30; 355 356 memset(data, 0, sdata); 357 358 if (argc != 3) { 359 fprintf(stderr, "Usage: %s src dst\n", argv[0]); 360 exit(1); 361 } 362 363 if ((src = fopen(argv[1], "rb")) == NULL) { 364 fprintf(stderr, "Could not open %s.\n", argv[1]); 365 retnum = 1; 366 goto defer; 367 } 368 if ((dst = fopen(argv[2], "wb")) == NULL) { 369 fprintf(stderr, "Could not open %s.\n", argv[2]); 370 retnum = 1; 371 goto defer; 372 } 373 374 while (!feof(src)) { 375 fwrite32l(mag1, dst); 376 fwrite32l(mag2, dst); 377 fwrite32l(flags, dst); 378 fwrite32l(addr, dst); 379 fwrite32l(nbyte, dst); 380 fwrite32l(blk, dst); 381 fwrite32l(nblk, dst); // dummy 382 fwrite32l(famid, dst); 383 384 fread(data, 1, nbyte, src); 385 if (ferror(src)) { 386 fprintf(stderr, "Read error: %s.\n", argv[1]); 387 retnum = 1; 388 goto defer; 389 } 390 fwrite(data, 1, sdata, dst); 391 if (ferror(src)) { 392 fprintf(stderr, "Write error: %s.\n", argv[2]); 393 retnum = 1; 394 goto defer; 395 } 396 397 fwrite32l(mag3, dst); 398 399 addr += nbyte; 400 blk++; 401 nblk++; 402 } 403 404 for (int i = 0; i < nblk; i++) { 405 if (i == 0) 406 if (fseek(dst, 24, SEEK_SET) < 0) { 407 fprintf(stderr, "Seek error: %s.\n argv[2]"); 408 retnum = 1; 409 goto defer; 410 } 411 fwrite32l(nblk, dst); 412 if (i < nblk - 1) 413 if(fseek(dst, 512 - 4, SEEK_CUR) < 0){ 414 fprintf(stderr, "Seek error: %s.\n argv[2]"); 415 retnum = 1; 416 goto defer; 417 } 418 } 419 420 defer: 421 if (src) 422 fclose(src); 423 if (dst) 424 fclose(dst); 425 return retnum; 426 } 427 </code></pre> 428 <p><code>fwrite32l()</code>関数は指定されたファイルに32ビットの整数を下位バイトから順に書き込む関数である。バイトオーダーとかややこしそうなので作っておいたけど必要なのかな？あと名前が気に入らない。</p> 429 <p> 430 CRC32のチェックサムが書き込まれたバイナリファイルを、このプログラムでUF2に変換し、生成されたファイルをUSBストレージとして接続したRP2040にコピーすればフラッシュROMに書き込まれる。 431 </p> 432 433 <h2>Flash Second Stage</h2> 434 <p> 435 RP2040に電源を投入し、CRC32のチェックが通った後、フラッシュROMからコピーされたプログラムの先頭から実行が開始される。このコピーされた部分で、その後の動作に必要な各種の設定を行うことになる。RP2040のデータシートには、フラッシュROMとSSIコントローラのXIPを設定するようにと書かれている。XIPはExecute in Placeの略で、フラッシュROMの内容をCPUから直接実行するものである。SSIはSynchronous Serial Interfaceの略で、周辺機器と情報のやりとりをする通信方式である。RP2040はチップに内蔵されたこのSSIコントローラを通して、外部のフラッシュROMと通信しているのだが、このコントローラを適切に設定すればフラッシュROMの内容がCPUから直接アクセスできる<code>0x10000000</code>番地以降にマップされる。これによりフラッシュROMから内部のSRAMにデータをコピーすることなく命令を実行できるので、速くて便利だという。 436 </p> 437 <p> 438 しかしこのSSIコントローラはSynopsysという会社のDW_apb_ssiというIPを使っているようで、データシートのSSIコントローラの章は多分Synopsysの人が書いている。その他の章はRaspberry Pi財団の書いたブリティッシュイングリッシュだが、この部分だけ多分ネイティブじゃない人の書いたいい加減な英語である。誤植も多い。何日かかけて理解しようとしたがよく分からん。不毛なので一旦諦めた。</p> 439 <p> 440 RP2040には内部にもROMがあり、はバージョン情報や電源を投入した時の動作、その他便利な関数が書き込まれている。この関数の中に外部のフラッシュROMとSSIコントローラを設定するものも含まれているので、今回はこれを利用した。ただしこの方法だとフラッシュROMとの通信方式がStandard SPIのままなので少し遅いらしい。詳しくはデータシートの「2.3.8. Bootrom Contents」を参照。 441 </p> 442 <p> 443 RP2040の内蔵ROMの<code>0x00000018</code>番地に関数を検索するための関数がある。この関数に<code>0x00000014</code>番地の<code>rom_func_table</code>と、各関数に割り当てられた二文字の文字列を渡せば、欲しい関数へのポインタが返ってくる。なお、二文字の文字列はそれぞれASCIIコードで現し、二文字目を8ビットシフトしたものと1文字目のORを取ったものを渡すことになっている。今回欲しい関数はフラッシュROMをXIPに設定するもの(<code>_flash_enter_cmd_xip()</code>)なので、<code>'C', 'X'</code>を渡す。関数のポインタが返ってきて、それを呼び出せばフラッシュROMとSSIはXIPモードになる: 444 </p> 445 <pre><code>setup_xip: 446 ldr r3, rom_base 447 448 ldrh r0, [r3, #0x14] // rom_func_table 449 ldr r1, =('C' | 'X' << 8) // _flash_enter_cmd_xip() 450 ldrh r2, [r3, #0x18] // rom_table_lookup 451 blx r2 452 blx r0 453 /* ... */ 454 rom_base: 455 .word 0x00000000 456 </code></pre> 457 458 <p> 459 XIPの設定が完了すれば、次はメインのプログラムを実行するための準備である。エントリーポイントの指定、スタックポインタの初期値の設定、ベクターテーブルの設定である。初期スタックポインタとエントリーポイントはベクターテーブルの<code>0x0</code>バイト目と<code>0x4</code>バイト目に書くことになっている<sup>[要出展]</sup>。また、ベクターテーブルはメインのプログラムの先頭に置くことにする。メインのプログラムはFlash Second Stageが占有する256バイトの直後、フラッシュROMの257バイト目から配置することにする。RP2040のベクターテーブルは<code>M0PLUS: VTOR(0xe0000000 + 0xed08)</code>というレジスタに書き込むことで設定する。以上をまとめると以下のコードになる:</p> 460 <pre><code> ldr r0, flash_main 461 ldr r1, m0plus_vtor 462 str r0, [r1, #0] // vector table 463 ldr r1, [r0, #4] // entry point 464 ldr r0, [r0, #0] // stack pointer 465 mov sp, r0 466 bx r1 467 /* ... */ 468 flash_main: 469 .word 0x10000000 + 0x100 470 m0plus_vtor: 471 .word 0xe0000000 + 0xed08 472 </code></pre> 473 <p>なお以上のコードは<code>.boot2</code>という名前のセクションにしてある。 474 </p> 475 476 <h2>メインのコード(<code>main.s</code>)<h2> 477 <h3>ベクターテーブル</h3> 478 <p> 479 メインのコードの最初には上で説明したベクターテーブルを配置する。ここでは割り込みの処理は考えないので、初期スタックポインタとエントリーポイントだけである。初期スタックポインタはSRAMの最後?(<code>0x20040000</code>)、エントリーポイントはエントリーポイントのラベルを用いて設定した。ただしこのCPUはThumbモードなので、ラベルに<code>0x1</code>を足している[要説明?]: 480 </p> 481 <pre><code>vectors: 482 .word 0x20040000 // initial SP 483 .word (reset+1) 484 </code></pre> 485 <p> 486 この部分のセクション名は<code>.vectors</code>である。 487 </p> 488 489 <h3>GPIOの設定</h3> 490 <p> 491 電源投入直後、RP2040の周辺機器はリセット状態になっている。まずは今回利用するGPIOのリセット状態を解除する必要がある。日本語だと意味が分かりにくいが英語でも分かりにくい。データシートの「2.14. Subsystem Resets」には以下のように書かれている: 492 </p> 493 <blockquote cite="https://datasheets.raspberrypi.com/rp2040/rp2040-datasheet.pdf"> 494 <p> 495 Every peripheral reset by the reset controller is held in reset at power-up. 496 It is up to software to deassert the reset of peripherals it intends to use. 497 </p> 498 </blockquote> 499 <p> 500 リセット状態を解除するには、RESETS_BASE(<code>0x4000c000</code>)から<code>0x0</code>バイト目のRESETS: RESEレジスタのうち利用したい周辺機器のビットを<code>0x0</code>にすればいい。 501 GPIOはIO Bank 0なので(これ明記されてなくない？)、RESETS: RESETレジスタのIO_BANK0(5番ビット)を<code>0x0</code>にする。 502 </p> 503 <h4>レジスタのアトミックなクリア</h4> 504 <p> 505 RESETS: RESETレジスタのうち5番ビットだけを<code>0x0</code>にしたい。この時、まずこのレジスタを読み込んでから<code>~(1 << 5)</code>と論理積を取って同レジスタに書き戻してもいいのだが、RP2040にはこれを一回の<code>str</code>でしかもアトミックにできる便利な機能が用意されている。今回の場合アトミックかどうかは関係ないと思うが。</p> 506 <p> 507 各レジスタには4個のアドレスが割り当てられている。データシートの各章のList of Registersに記載されているアドレスは通常の読み書きができる。そのアドレスに<code>0x1000</code>を足したものにアクセスするとアトミックなXORが、<code>0x2000</code>を足したものはアトミックなセットが、<code>0x3000</code>を足したものはアトミックなクリアができる。つまりレジスタのアドレスに<code>0x3000</code>を足したものに、<code>0x1 << 5</code>を<code>str</code>すれば5番目のビットだけ<code>0x0</code>にして、他のビットは変更されない。逆に指定したビットだけ立てて他を触らない場合は<code>0x2000</code>を、あるいは指定したビットだけトグルしたい場合は<code>0x1000</code>を足したアドレスにアクセスすればいい。</p> 508 <h4>リセット状態の確認</h4> 509 <p>リセットの解除はすぐに完了するわけではないようである。リセットの解除が完了したかどうか確認するにはRESETS: RESET_DONEレジスタ(RESETS_BASEから<code>0x8</code>バイト目)の該当するビット(ここでは5番目のビット)を読む。この値が<code>0x1</code>であればリセットの解除が完了している。<code>0x0</code>であれば処理が進行中なので<code>0x1</code>が返ってくるまで繰り返し読み込んで<code>0x0</code>になるまで待機する。ところでこのレジスタはリセットの解除が完了したかどうか確かめるものなので、RESET_DONEという名前はどうなん？ 510 <p> 511 以上から、GPIOのリセットを解除するのは以下のコード: 512 </p> 513 <pre><code>reset: 514 // unreset gpio 515 mov r0, #1 516 lsl r0, r0, #5 // io_bank0 517 ldr r3, resets_base 518 ldr r1, atomic_clr 519 str r0, [r3, r1] // RESETS: RESET 520 reset_chk: 521 ldr r1, [r3, #0x8] // RESETS: RESET_DONE 522 tst r0, r1 523 beq reset_chk 524 525 /* ... */ 526 527 atomic_clr: 528 .word 0x00003000 529 resets_base: 530 .word 0x4000c000 531 </code></pre> 532 533 <h3>GPIOの機能の選択</h3> 534 <p>RP2040のGPIOにはそれぞれ複数の機能が用意されていて、どれを使うかはソフトウェアから選択できる。利用できる機能の一覧と各機能の説明はデータシートの「2.19.2 Function Select」に詳しく書いてある。ここではGPIO25番のピンをSIO(Single-cycle IO)として利用する。同じCPUが載っているRaspberry Pi PicoはGPIO25番にLEDが半田付けされている。25番にしたのはこれに合わせるためである。他のピンでもいい。GPIOに1(3.3V)か0を印加するだけならこのSIOを使うみたいである。Single-cycleはCPUから操作したときに1クロックでその操作が完了するという意味らしい。SIOの詳しい説明はデータシートの「2.3.1 SIO」にある。</p> 535 <p> 536 GPIO25番の機能を選択するにはIO_BANK0_BASE(<code>0x40014000</code>)から<code>0xcc</code>番目のGPIO25_CTRLレジスタの下位5ビットに、該当する機能の番号を書き込めばいい。データシートの「2.19.2 Function Select」にある表を見ると、GPIO25番のSIOは5である:</p> 537 <pre><code> // set gpio functions 538 ldr r3, io_bank0_base 539 mov r0, #5 // sio 540 mov r1, #0xcc 541 str r0, [r3, r1] // IO_BANK0: GPIO25_CTRL 542 543 /* ... */ 544 545 io_bank0_base: 546 .word 0x40014000 547 </pre></code> 548 549 <h3>GPIOの出力を有効化</h3> 550 <p> 551 GPIO25番がSIOになったので、次にこのピンからの出力を有効化する。既定値では出力は無効になっている。ハイインピーダンスってことなのかな？出力を有効にするには、SIO_BASE(<code>0xd0000000</code>)から<code>0x24</code>バイト目のSIO: GPIO_OEレジスタの該当するビット(25番のピンなので25番ビット)を<code>0x1</code>にする: 552 </p> 553 <pre><code> 554 // enable gpio output 555 ldr r3, sio_base 556 mov r0, #1 557 lsl r0, r0, #25 // gpio25 558 str r0, [r3, #0x24] // SIO: GPIO_OE 559 560 /* ... */ 561 562 sio_base: 563 .word 0xd0000000 564 </code></pre> 565 566 <h3>LEDの点滅</h3> 567 <p>以上でGPIOの設定は完了したので、あとは実際にLEDに電圧を掛けるだけである。レジスタのアドレスに<code>0x1000</code>を足したものに書き込むとアトミックなレジスタのXORができると書いたが、SIOだけこの機能がサポートされていないようである。データシートの「2.1.2 Atomic Register Access」に、 568 </p> 569 <blockquote cite="https://datasheets.raspberrypi.com/rp2040/rp2040-datasheet.pdf"> 570 <p> 571 The SIO (Section 2.3.1), a single-cycle IO block attached directly to the cores' 572 IO ports, does <strong>not</strong> support atomic accesses at the bus level, 573 although some individual registers (e.g. GPIO) have set/clear/xor aliases. 574 </p> 575 </blockquote> 576 <p> 577 と書かれている。ここにも書かれている通り、SIOの一部のレジスタにはアトミックなセット/クリア/XORをするためのレジスタが用意されている。ここではLEDを点滅させるためにGPIOの出力をトグルしたいのでXOR用のレジスタを使う。SIO_BASE(<code>0xd0000000</code>)から<code>0x1c</code>バイト目のSIO: GPIO_OUT_XORレジスタがそれである。このレジスタの25番ビットに<code>0x1</code>を書き込めばいい。出力をトグルした後は少し間をおいて同じことを繰り返す。間をおくためにここでは適当な数値を1づつ減らしていって0になったら返る関数<code>delay</code>を作った。タイマーと割り込みを使ったほうが消費電力等で優位なようだが、面倒なのでとりあえずこれで:</p> 578 579 <pre><code> // blink led on gpio25 580 ldr r4, sio_base 581 mov r5, r0 // r0 = 1 << 25 582 loop: 583 str r5, [r4, #0x1c] // SIO: GPIO_OUT_XOR 584 bl delay 585 b loop 586 587 delay: 588 mov r0, #1 589 lsl r0, r0, #20 590 delay_loop: 591 sub r0, r0, #1 592 bne delay_loop 593 bx lr 594 595 /* ... */ 596 597 sio_base: 598 .word 0xd0000000 599 </code></pre> 600 <p>なお以上のコードは<code>.text</code>セクションである。</p> 601 602 <h2>リンカスクリプト</h2> 603 <p> 604 以上のコードには<code>.boot2</code>、<code>.vectors</code>、<code>.text</code>の3つのセクションが含まれる。<code>.boot2</code>はフラッシュの先頭から256(<code>0x100</code>)バイト目まで、<code>.vectors</code>と<code>.text</code>はその後ろに続くように配置する: 605 <pre><code>MEMORY 606 { 607 FLASH(rx) : ORIGIN = 0x10000000, LENGTH = 2048k 608 } 609 610 SECTIONS 611 { 612 .boot2 : { 613 *(.boot2) 614 . = 0x100; 615 } > FLASH 616 617 .text : { 618 *(.vectors) 619 *(.text) 620 } > FLASH 621 } 622 </code></pre> 623 624 <h2>Makefile</h2> 625 <p> 626 以上のソースコードは以下のように配置している: 627 </p> 628 <pre><code>rp2040 629 ├── ex1 630 │ ├── Makefile 631 │ ├── boot2.s 632 │ ├── main.s 633 │ └── memmap.ld 634 └── tools 635 ├── Makefile 636 ├── bin2uf2.c 637 └── bincrc.c 638 </code></pre> 639 <p> 640 toolsディレクトリのMakefileは同じディレクトリのソースファイルを<code>$(CC)</code>でコンパイルするだけのものである(個人的な趣味で<code>tcc</code>を使っている)。ex1ディレクトリのMakefileは以下の通り: 641 </p> 642 <pre><code>AS = arm-none-eabi-as 643 LD = arm-none-eabi-ld 644 OBJCOPY = arm-none-eabi-objcopy 645 BINCRC = ../tools/bincrc 646 BIN2UF2 = ../tools/bin2uf2 647 648 MCPU = -mcpu=cortex-m0plus 649 ASFLAGS = $(MCPU) 650 CFLAGS = $(MCPU) -ffreestanding -nostartfiles -O0 -fpic -mthumb -c 651 LDFLAGS = --no-relax -nostdlib 652 653 all: tools led.uf2 654 655 clean: 656 rm -f *.o *.elf *.uf2 *.bin 657 cd ../tools && make clean 658 659 .s.o: 660 $(AS) $(ASFLAGS) -o $@ $< 661 662 led.elf: boot2.o main.o memmap.ld 663 $(LD) $(LDFLAGS) -o $@ -T memmap.ld boot2.o main.o 664 665 led.bin: led.elf 666 $(OBJCOPY) -O binary led.elf $@ 667 668 led.uf2: led.bin 669 $(BINCRC) led.bin led_crc.bin 670 $(BIN2UF2) led_crc.bin $@ 671 672 flash: all 673 mount /dev/disk/by-label/RPI-RP2 /mnt 674 cp led.uf2 /mnt 675 676 tools: 677 cd ../tools && make 678 </code></pre> 679 680 <p> 681 RP2040のボードをUSBデバイスモードでLinuxのパソコンに接続し、ex1ディレクトリで</p> 682 <pre><code>$ make 683 # make flash 684 </code></pre> 685 <p> 686 とすればプログラムがRP2040のボードに書き込まれて実行が開始される。</p> 687 688 <h2>最後に</h2> 689 <p> 690 光あれ。 691 </p> 692 693 <h2>参考</h2> 694 <ul> 695 <li> 696 [1] Hennesy, J. L. and Patterson, D. A. 2017. Computer Organization And Design RISC-V Edition. 697 </li> 698 <li> 699 [2] <a href="https://akizukidenshi.com/catalog/g/gK-17542/">RP2040マイコンボードキット.秋月電子通商</a> 700 </li> 701 <li> 702 [3] <a href="https://datasheets.raspberrypi.com/rp2040/rp2040-datasheet.pdf">RP2040 Datasheet.Raspberry Pi Foundation</a> 703 </li> 704 <li> 705 [4] <a href="https://github.com/raspberrypi/pico-sdk">pico-sdk.github</a> 706 </li> 707 <li> 708 [5] <a href="https://ja.wikipedia.org/wiki/%E5%B7%A1%E5%9B%9E%E5%86%97%E9%95%B7%E6%A4%9C%E6%9F%BB">巡回冗長検査.Wikipedia</a> 709 </li> 710 <li> 711 [6] <a href="https://github.com/microsoft/uf2">USB Flashing Format (UF2).GitHub</a> 712 </li> 713 </ul> 714 </article> 715 716 </main> 717 <footer> 718 <address>info(at)mtkn(dot)jp</address> 719 </footer> 720 </body> 721 </html>