【１０】もっと高度なプログラムへ・・・
前回はＦｌａｓｈ ＰＩＣ ボード１の出力ポートを利用したＬＥＤの点滅処理でした。今回はさらに入り込んで、同じボード１のパーツをフル活用してみます。
基板上のスイッチ（ＳＷ１）を押すと〝ちきどん〟が動き出し、取り付けられているマイクロスイッチ３番が押された回数を基板上の７セグメント表示器に表示して、１０回数えると〝ちきどん〟を停止させるというプログラムを作ってみましよう。
プログラムする前準備として、使用するポートをまとめて一覧を作ってみました。ボード１の回路図も合わせてご覧ください。
黄色の項目が、ＰＩＣ外部の状態を読み取る部分で、水色の項目がＰＩＣ外部に出力する部分になります。中でも難しいそうなところは、数字を表示させる７セグメント表示器の部分ではないでしょうか。
| 基板上のＳＷ１がＯＮの時 | ＲＡ０が〝Ｌ〟になる |
| 基板上のＳＷ１がＯＦＦの時 | ＲＡ０が〝Ｈ〟になる |
| ちきどんのマイクロスイッチ３がＯＮの時 | ＲＡ３が〝Ｌ〟になる |
| ちきどんのマイクロスイッチ３がＯＦＦの時 | ＲＡ３が〝Ｈ〟になる |
| ちきどん動かす | ＲＡ６を〝Ｌ〟にする |
| ちきどん止める | ＲＡ６を〝Ｈ〟にする |
| ７セグメント表示器 | ＰＢ０ ～ ＰＢ６（〝Ｈ〟で点灯） |
７セグメント表示器というのは、ＬＥＤが〝８〟の字になるように並べられており、好きな位置のＬＥＤを点灯させて数字を表示させるパーツです。
ひとつひとつのＬＥＤをセグメントといい、ａ～ｇ の記号が付けられています。そして、各セグメントのアノード側は〝ＳＥＧａ〟～〝ＳＥＧg〟、〝ＳＥＧdp〟の端子へ、さらに全てのセグメントのカソード側の端子はまとめられてコモン（ＣＯＭ）端子に出てきます。右の図ではそのままＧＮＤへ接続しています。
たとえば数字の〝２〟を表現したい時は、〝ａ、ｂ、ｇ、ｅ、ｄ〟のＬＥＤを点灯させることになりますので、
接続されている〝ＳＥＧａ、ＳＥＧｂ･･･〟を追っていきますと、ＰＢ０・ＰＢ１・ＰＢ３・ＰＢ４・ＰＢ６を〝Ｈ〟に、ＰＢ２・ＰＢ５を〝Ｌ〟にすることになります。実際にこれをソフトウエアで行うには、ポートＢに２進数〝０１０１１０１１〟、１６進数に直して、〝０ｘ５Ｂ〟を出力すればいいことになります。ビット７番はＰＢ７＝ＳＥＧｄｐに接続されていますので、小数点ＬＥＤ（ＤＰ）は消しておきますので、〝０〟になっています。
数字は０～９まで必要ですので、それぞれ書き出しますと以下の表のようになります。
| 数字 | ２進数 | １６進数 |
| 〝０〟 | 00111111 | ０ｘ３Ｆ |
| 〝１〟 | 00000110 | ０ｘ０６ |
| 〝２〟 | 01011011 | ０ｘ５Ｂ |
| 〝３〟 | 01001111 | ０ｘ４Ｆ |
| 〝４〟 | 01100110 | ０ｘ６６ |
| 〝５〟 | 01101101 | ０ｘ６Ｄ |
| 〝６〟 | 01111101 | ０ｘ７Ｄ |
| 〝７〟 | 00100111 | ０ｘ２７ |
| 〝８〟 | 01111111 | ０ｘ７Ｆ |
| 〝９〟 | 01101111 | ０ｘ６Ｆ |
この表をプログラムのどこかに作っておき、数字に応じたデータを読み出して、ポートＢへ出力すればいいことになります。このように表から必要なデータを読み出すことをテーブル参照といいます。
どうやって必要なデータを取り出せばいいのでしょうか。他のＣＰＵではプログラムに書かれている数値（データ）を直接読み取る命令がありますが、ＰＩＣにはそのような命令がありません。その代わりサブルーチンコールから戻る命令〝ｒｅｔｕｒｎ〟命令に、もうひとつ別の〝ｒｅｔｌｗ ｋ〟という命令があります。この〝ｋ〟の部分は好きな数値を書くことができます。例えば〝ｒｅｔｌｗ ０ｘＦＦ〟という命令はサブルーチンコールした次のアドレスへ戻ると共に、Ｗｒｅｇに１６進数〝０ｘＦＦ〟を入れて戻ります。Ｃ言語でいうところの戻り値の代入です。ですので、ＰＩＣの場合はテーブル参照に近いですが、テーブルジャンプと呼んだ方が正しいかもしれません。
実際にプログラムで書くと次のようになります。
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プログラム先頭でＷｒｅｇに０ｘ０３を入れていますが、これは Ｗreg が例えば０ｘ０３の時という意味です。実際は０～９が来ます。
次の、〝addwf PCL,to_F〟ですが、これは現在のＰＣＬ（プログラムアドレスの下位８ビット）にＷｒｅｇを加えて、〝ｔｏ＿Ｆ〟ですので、元のＰＣＬレジスタに格納します。この命令を解析している段階で、ＰＣＬレジスタは〝addwf PCL,to_F〟の次、〝retlw 0x3F〟の部分になっていますので、この命令を実行した途端、プログラムアドレスは３つ先の〝retlw 0x4F〟へ飛んでいます。そして、〝retlw 0x4F〟を実行して、Ｗｒｅｇに〝０ｘ４Ｆ〟を入れて戻るということになります。これで、Ｗｒｅｇに０～９の値を入れて、この処理をサブルーチンコールすると、対応する値をＷｒｅｇに入れて戻るという処理が完成します。
この処理の最初で、Ｗｒｅｇが０～９以外の数値が入って来たとき、どうするかという注意が抜けています。もし、Ｗｒｅｇ＝０ｘＦＦの状態でこのサブルーチンをコールされたら、とんでもない先へジャンプして、その後は暴走することは間違いないと思います。 このようなことも考慮すると、先ほどの処理は下記のようになります。
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▽ 論理積 △
最初の命令〝andlw 0x0F〟でＷｒｅｇに入っている数値を０～０ｘ０Ｆに丸めてしまいます。これを〝０ｘ０Ｆ〟でマスクするといいます。〝andlw 0x0F〟命令は、Ｗｒｅｇに入っている値に数値〝０ｘ０Ｆ〟と論理積演算を行って、Ｗｒｅｇに格納する・・・ですが、論理積や論理和というのは普通の世界ではまずお目にかかれない数値演算です。しかしコンピュータの世界では頻繁に出てきます。あまり難しく考えないで、そういうもんだ、こういうときに使用するのか、程度に今は考えておいた方がいいです。
Ｗregに〝０ｘ９Ｆ〟が入っているときに〝andlw 0x0F〟を行った時の動きを詳しく説明します。
解りやすいように２進数に直します。
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〝論理積〟は〝１〟と〝１〟を論理積演算した時だけ、結果が〝１〟になりそれ以外は全て〝０〟になります。２進数ですので〝２〟や〝３〟などという数字は出てきません。すべて〝０〟か〝１〟だけの演算になります。
この、論理積の〝１〟と〝１〟は〝１〟になる。それ以外は〝０〟という性質を利用して、数値を任意の桁でマスクしているというわけです。
〝論理積は数値をマスクする時に使う命令〟と、今は考えておきましょう。。
実際は０～９でマスクしたいのですが、０～０ｘ０Ｆでマスクして、１６進数の０x０Ａ～０ｘ０Ｆまでのデータも拡張しておいた方が、後々便利ですのでこのようにしました。また、この処理をコールする前に変な数値にはならないように考慮したプログラムを組んでおくという手もあります。
Ｗｒｅｇの値を７セグメントデータに変換するサブルーチンですので、この処理を〝GETDIG〟という名前にして、今回のプログラムを全て書き出しました。
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かなり長くなりましたが、上記のプログラムを選択コピーしてＦｌａｓｈ ＰＩＣ のソースウィンドウボックス内に貼り付けて、送り込むことができます。
その前に簡単にプログラムの説明をします。
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ここまではいつものと同じ、アセンブラに対して指示をしているところです。今回のマイクロスイッチの回数を記憶するメモリを〝COUNT〟という名前にして、番地を〝PORT_C〟の次の番地にしています。〝PORT_C〟は 0x0A ですので〝COUNT〟は 0x0B になります。
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ここからプログラムの始まりです。初めの部分はポートの入出力ピンの設定を行ってます。〝PORT_B、PORT_C〟は全部出力ピンにして〝0〟を出力しています。〝PORT_A〟はビット６番のみ出力ピンで、その他は入力ピンです。設定値はアセンブラの指示部分で〝PA_INI EQU 0x3F〟としていますので、上記のプログラム内で〝TRIS_A〟には〝0x3F〟が書き込まれます。
最初に回数を数えるメモリをゼロクリアして、その数値＝０を７セグメント用のデータに変換して、〝PORT_B〟へ出力しています。これで、表示器には〝０〟と表示されるはずです。
次に、ラベル〝WATSTART：〟で〝PORT_A〟のビット０番が〝Ｌ〟になるのを待っています。〝Ｌ〟になると〝PORT_A〟のビット６を〝Ｌ〟にして〝ちきどん〟をスタートさせます。
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ラベル〝M_SWOFF:〟で〝ちきどん〟についているマイクロスイッチ３番がＯＮ（〝Ｌ〟）になるを待っています。ＯＮになるとカウント値を＋１して格納します。このときに数値が〝１０〟（16進＝０ｘ０Ａ）になっているか〝０ｘ０Ａ〟を引き算してみて＝０になれば〝１０〟になっていると判断します。引き算後の結果をＷｒｅｇに入れているのは、〝COUNT〟へ戻すと計数結果が壊れてしまうためです。そして引き算して結果が〝＝０〟になれば、〝STATUS〟レジスタのビット２番（Zeroフラグ）が〝＝１〟になります。ならない時は〝STATUS,2＝０〟のままですので、次の命令〝goto ENT_END〟をスキップして、表示データを求めて７セグメントへ出力します。
ラベル〝M_SW_ON:〟で次に〝ちきどん〟のマイクロスイッチ３番が〝ＯＦＦ（Ｈ）〟になるのを待っていますが、これは〝ちきどん〟の回転速度が遅い時、〝ＯＦＦ〟を確認せずにそのままにしておきますと、ＰＩＣの方が処理が速いため、１回の〝ＯＮ〟で数回
カウントしてしまうからです。
補足：Ｆｌａｓｈ ＰＩＣ では速度が遅いため、スイッチのチャタリングは考慮しておりませんが、実際のＰＩＣで上記のプログラムを組んだ場合、チャタリング現象のため正しくカウントされない場合があります。その時は、前回〝【９】少し高度なプログラム・・・〟で説明した〝二重カウンタ〟による時間潰し処理を〝M_SWON:〟の手前に入れることをお奨めします。
計測カウンタが〝１０〟になりますと、〝０ｘ０Ａ〟を引き算したところで、〝STATUS,2=1〟となり、〝goto ENT_END〟に処理が移り、〝ちきどん〟の停止を行って、表示器に〝－〟を表示して、無限ループに入り実質停止します。
【１１】実験しよう・・・
できたプログラムを走らせて、ただ「ふ～ん」で終わっていては、ＰＩＣの達人にはなれません。（なる気は無い？）
Ｆｌａｓｈ ＰＩＣ の便利なシミュレータ機能を利用して、本当にその通りの動きをＰＩＣがしているのか実験してください。何をしても壊れませんので思う存分やってください。
７セグメントデータに変換する前に、数値を論理積演算でマスクしていますが、本当にそうなっているか試してみましよう。
まず、Ｆｌａｓｈ ＰＩＣ を起動させ、編集画面（EDIT ウィンドウ）のソースウィンドウボックスを全て選択してから削除して、中身を空っぽにしてください。
先ほどのプログラムを、もう一度下記に書き出します。それを全てマウスで選択して右クリック〝コピー〟を行って、Ｆｌａｓｈ ＰＩＣ の空っぽのソースウィンドウボックス内をクリックした後に右クリック〝貼り付け〟を行ってプログラムの転送をします。
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転送ができましたら《Ｂｕｉｌｄ》ボタン、
を押します。これでアセンブラが起動して、ソースコードがマシン語に変換されてＦＰＩＣに転送されます。
《Ｂｕｉｌｄ》ボタンを押さないとＦＰＩＣにプログラムが転送されませんので押すことを忘れないでください。エラーがなければ、エラーリストウィンドウに〝現在エラーはありません〟と出ます。
エラーが出たら、そのエラー行の周辺をよく見てください。コメント行以外の全角文字やスペースもエラーの原因です。
まずは普通にＰＩＣを走らせて、動きを見てください。編集画面（EDIT ウィンドウ）が邪魔な時は〝Ｓｉｍｐｌｅ〟ボタンを押して小さくしたり、画面の下の方に移動させます。また、〝ちきどん〟の回転速度は電圧計の下の〝ＳｐｅｅｄＵｐ〟ボタンで速くすることができます。
表示器が９を超えて１０回目で〝ちきどん〟が停止して〝-〟表示が出れば大成功です。〝ＨＡＬＴ〟ボタンを押してプログラムを止めます。では、数値マスクの実験をしてみましよう。
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〝movf COUNT,to_W〟と書かれていた部分を〝movlw 0x9F〟に書き換えて〝Ｂuild〟ボタンを押しアセンブルします。
〝CALL GETDIG〟を呼ぶ時にＷｒｅｇに〝０～０ｘ０Ｆ〟以外が入っていると暴走するため、数値を〝０ｘ０Ｆ〟にマスクしていますが、果たして本当にそうなるのか、ここで〝０～０ｘ０Ｆ〟以外の数値を無理やり入れて、正しく動くかシミュレーションしてみます。
ソースウィンドウボックス左隣にある逆アセンブルボックスのアドレス〝０ｘ０Ａ〟番地に上記の変更部分がアセンブラされて出ていますので、そのラインをクリックして選択し、上の〝Ｂｒｅａｋ Ｐｏｉｎｔ〟ボタンを押して、ブレークポイントを設定します。こうしておくとプログラムがここを通った時に、自動的に停止します。
走らせる前に、〝Ｒｅｓｅｔ〟ボタンを押してプログラムを先頭から走らせるようにします。押さずに走らせますと、前回止めたところから走り出しますので注意してください。
〝Ｒｅｓｅｔ〟を押してから〝Ｒｕｎ〟ボタンを押します。すぐにプログラムは先ほどのブレークポイントで停止します。
下記がブレークポイントで止まったプログラムを見るために、〝Ｓｉｍｐｌｅ〟ボタンを押してソースウィンドウボックスを消し、〝Ｗａｔｃｈ〟ウィンドウを出したところです。
プログラムがブレークポイントのアドレス〝０ｘ００Ａ〟で止まっているのが解ります。
さてここから、数値がマスクされて７セグメント表示データに変換され、戻ってくるまでをスローモーションで見てみましょう。上の写真では〝movlw 0x9F〟を実行する前で止まっていますので、〝Ｗreg=０ｘ００〟となっています。
〝Ｓｔｅｐ(S)Key〟ボタンを１回押します。
プログラムが次に進んで、〝Ｗｒｅｇ＝０ｘ９Ｆ〟となりました。
〝Ｓｔｅｐ(S)Key〟ボタンを１回押します。
プログラムが〝CALL GETDIT〟を処理して、サブルーチン〝GETDIT:〟へ飛びました。〝Ｗｒｅｇ〝は、〟０ｘ９Ｆ〟のままです。
〝Ｓｔｅｐ(S)Key〟ボタンを１回押します。
〝Ｗａｔｃｈ〟ウィンドウを見てください。〝andlw 0x0F〟が実行されて、〝Ｗｒｅｇ＝０ｘ９Ｆ〟が〝０ｘ０Ｆ〟となり、マスクされたことが解ります。
続いて、プログラムアドレスを表す〝ＰＣ〟を見てください。〝０ｘ２４〟になっています。次で変化しますので・・・。
〝Ｓｔｅｐ(S)Key〟ボタンを１回押します。
〝addwf PCL,to_F〟が解析のため読み込まれた（フェッチといいます）瞬間に、プログラムアドレスは次の〝０ｘ２５〟になります、そして〝addwf PCL,to_F〟が実行されて、プログラムアドレスにＷｒｅｇの〝０ｘ０Ｆ〟が加算されて〝ＰＣ〟が〝０ｘ０３４〟となりました。
Ｗｉｎｄｏｗｓの電卓を［表示］→[関数電卓]にして１６進加算で、
〝０ｘ２５＋０ｘ０Ｆ＝０ｘ３４〟となることを確認してください。
〝Ｓｔｅｐ(S)Key〟ボタンを１回押します。
〝ｒｅｔｌｗ ０ｘ７１〟命令で〝Ｗｒｅｇ＝０ｘ７１〟という７セグメントの表示データを持って、サブルーチンコールした次の番地へ戻ってきています。〝０ｘ７１〟というデータは７セグメントに流すと〝Ｆ〟という文字になるはずです。
〝Ｓｔｅｐ(S)Key〟ボタンを１回押しますと、プログラムが次に進んで、
７セグメントデータ〝０x７１〟が流し込まれ〝Ｆ〟と表示されました。
イロイロな数値に変えて、マスクされる様子や、テーブルジャンプの様子を観察してください。また論理積を論理和〝iorwf 0x0F〟にするとどうなるのかなどの実験もできます。
論理積や論理和は２進数にして考えると、理解しやすくなります。
テーブルジャンプで、説明していなかったことがひとつあります。〝addwf PCL,to_F〟ではプログラムアドレスの下位８ビット（ＰＣＬ）に対して加算されるということでしたが、下位８ビットから溢れるような加算データが来た場合どうなるのか、これもＦｌａｓｈ ＰＩＣ でシミュレーションしてみましょう。
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〝GETDIG:〟を〝Wreg=0x0A〟で呼ぶように、ラベル〝WATSTART:〟の手前（赤色部分）に〝movlw 0x0A〟と入れます。そして、ラベル〝GETDIG:〟の手前に〝org 0x0F8〟と入れて〝Ｂｕｉｌｄ〟ボタンを押してアセンブルします。〝org〟擬似命令はラベルと区別するために左端から、ひとつ以上のスペースあるは〝ＴＡＢ〟が必要です。
〝org〟擬似命令は、これが書かれた以降のプログラムを展開するアドレスを指定できますので、〝GETDIG:〟サブルーチンをプログラムアドレス〝０ｘ０Ｆ８〟から並べられます。どのようにアセンブルされたかは下記の写真をご覧ください。
ご覧の通り、アドレス〝０ｘ０Ｆ８〟から〝GETDIG:〟が入っています。何をやろうとしているのかは、想像できると思いますが、こうすると、Ｗｒｅｇに０ｘ０５以上の数値を入れて〝GETDIG:〟をコールすると、プログラムアドレスの下位８ビットから溢れる計算になるはずです。すると、どうなるかの実験です。それをするために〝GETDIG:〟を０ｘ０Ｆ８から展開させ、さらに〝０ｘ０Ａ〟をＷｒｅｇに入れてコールするプログラムに改造してアセンブルしたというわけです。
補足：８ビット＝１バイトでは０～０ｘＦＦまでの数値しか扱えません。桁あふれした数値は通常は上位桁に加算しますが、〝addwf PCL,to_F〟は桁あふれを無視します。その結果どうなるか・・・の実験です。実際のＰＩＣでもこれと同じ現象が起きます。
例の如く、〝movlw 0x0A〟のところにブレークポイントを設定してあります。〝Ｒｅｓｅｔ〟ボタンを押した後、〝Ｒｕｎ〟ボタンを押すと、〝movlw 0x0A〟のところで停止します。
〝Ｓｔｅｐ(S)Key〟ボタンを３回押すと、下記の状態になります。
Ｗｒｅｇに０ｘ０Ａが入れられて、〝GETDIG:〟が呼ばれて、〝０ｘ０Ｆ〟でＷｒｅｇがマスクされたところで停止しています。
次に〝Ｓｔｅｐ(S)Key〟ボタンが押されると、プログラムアドレスは〝０ｘ０ＦＡ〟になり、それにＷｒｅｇの〝０ｘ０Ａ〟が加算されますので、Ｗｉｎｄｏｗｓの電卓で先に計算すると、答えは
〝０ｘ１０４〟となります。そうなるのでしょうか・・・。
〝Ｓｔｅｐ(S)Key〟ボタンを押すと・・・。
結果は、とんでもないところにプログラムのポイントが飛んでいます。〝Ｗａｔｃｈ〟ウィンドウのＰＣが〝０ｘ００４〟を差しています。逆アセンブラボックスもアドレス＝〝０ｘ００４〟の〝clrw〟へ飛んでいます。
これが暴走です。プログラムがでたらめな場所に飛んでしまい、正しく動かなくなっています。
原因はＰＣＬの加算で、桁溢れした分が上位へ加算されずに、下位８ビットだけがＰＣＬに代入されたので、プログラムアドレスが〝０ｘ００４〟になったということです。
このような現象は８ビットＰＩＣ全てに起きる現象です。Ｆｌａｓｈ ＰＩＣ だから起きたというのではなく、ここまで正しくＰＩＣをシミュレートしているという証ではないでしょうか。
上記の実験プログラムのように、あなたが製作中のプログラムも正しく動くのか、部分的にＦｌａｓｈ ＰＩＣ に突っ込んでシミュレーションするという使い方をどしどし行ってみてください。Ｆｌａｓｈ ＰＩＣはどのような数値を突っ込んでも壊れることは絶対にありませんので、イロイロ実験をして遊んでみましよう。
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