IchigoJam(11) <LED&KEYを機械語で>

LED&KEY(TM1638)をIchigojamで点けてみた。BASICで入出力ポートを制御するとさすがに遅い。あまりに遅いので、マシン語で高速化してみた。

↑ダウンロード TM1638_Yoshi1.mp4 (1075.3K)

YOSHIがスクロールしているのだけれど、残像が残って認識できないくらい速くなっている。

　福野さんがこのボードをマシン語で制御しておられる。(2018/4/14)
(格安7セグディスプレイ「LED&KEY」を使ってカチカチカウンターづくり、TM1638 x IchigoJam用マシン語SPIドライバの作り方)

どの部分をマシン語で書くか

  このボードに載っているLED&KEY制御用デバイス(TM1638)はSPIもどきでデータを送り受けする。8個のLEDを制御しようとすると、　8(LED)x16bit/LED+3(command)×8bit/cmd＝152bit　のデータを送る必要があるから、クロックも152個必要だ。
このクロックをBASICのOUT命令でON/OFFしているから、データI/Oが152回、クロックが304回で合計456回IN/OUT命令を実行しなければならない。

　高速化するならば、データを送り受けする部分をマシン語にすれば効果があるだろう。

　メモリダンプ・プログラムを書いたときの手法でやってみる。IchigoJam(4) (2015/06/01)
Cで書いてgccでコンパイルして、逆汗して、BASICのPOKE文を作る。
逆アセンブラはgccのツールチェーンに入っているobjdumpを使った。
逆汗リストからPOKE文の作成にはawkを使った。今どきならpython、オヤジ世代ならperlだが、おじいちゃん世代はawkだ。
　(IJUtils (http://ijutilities.micutil.com/#Software)のIJBin2Pokeを使うと簡単にできるらしい)

Cソース

　Cのソースはこんな感じ。

/*
* access.c
* Apr.2018/Yoshi
*/
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define    GPIO1_MASKED_ACCESS    ((volatile uint32_t *)0x50010000)
#define    GPIO0_MASKED_ACCESS    ((volatile uint32_t *)0x50000000)

#define    BIT_LED    5    //GPIO1_5
#define    BIT_STB    0    //GPIO1_0
#define    BIT_CLK    1    //GPIO1_1
#define    BIT_DIO    5    //GPIO0_5

#define    STB_L    0
#define    STB_H    (1<<BIT_STB)
#define    CLK_L    0
#define    CLK_H    (1<<BIT_CLK)

#define    STB(d)    GPIO1_MASKED_ACCESS[1<<BIT_STB]=(d)
#define    CLK(d)    GPIO1_MASKED_ACCESS[1<<BIT_CLK]=(d)
#define    CLKIN()   GPIO1_MASKED_ACCESS[1<<BIT_CLK]
#define    DI()      GPIO0_MASKED_ACCESS[1<<BIT_DIO]
#define    DO(d)     GPIO0_MASKED_ACCESS[1<<BIT_DIO]=(d)

#define    GPIO0_DIR    *((volatile uint32_t *)0x50008000)
#define    GPIO0_10_IN    0
#define    GPIO0_10_OUT    (1<<BIT_DIO)

#pragma GCC optimize("O1")
void wait(void) {
    int w=5;
    while (0<w) {
        w--;
        CLKIN();
    }
}
#pragma GCC optimize("Os")

/*
* receive 16bit
* uint32_t recv(uint32_t data)
* arg : uint32_t data : receive data
* ret : uint32_t : receive data
*/
uint32_t recv(uint32_t data) {
    int i;
    GPIO0_DIR &= ~(1<<BIT_DIO);    //DIO -> input
    for (i=0; i<16; i++) {
        CLK(CLK_L);
        wait();
        data <<= 1;
        data |= DI();
        CLK(CLK_H);
        wait();
    }
    data >>= BIT_DIO;
    return data;
}

/*
* send 8/16bit data
* uint32_t send(uint32_t data)
* arg : uint32_t send data
* ret : uint32_t :
* rem : send data : 1xxx xxxx CCCC CCCC : command (8bit)
*                   0xxx xxDD DDDD DDDD : data(16bit)
*/
uint32_t send(uint32_t data) {
    int i = (data & 0x8000)? 8: 0;    //check command flag
    data <<= BIT_DIO;
    GPIO0_DIR |= (1<<BIT_DIO);        //DIO -> output
    STB(STB_L);
    for (; i<16; i++) {
        CLK(CLK_L);
        DO(data);
        data >>= 1;
        wait();
        CLK(CLK_H);
        wait();
    }
}

void main(void) {
    wait();
    recv(0);
    send(0);
}

  TM1638にデータを送る関数はuint32_t send(uint32_t data)でデータを受ける関数はuint32_t recv(uint32_t dummy)だ。

　IchigojamのUSR関数の解説では、hint16_t foo(uint16_t arg , uint8_t* mem, uint8_t* font)となっているが気にしない。

　第１引数にはUSR(address , num)で呼んだときのnumがR0レジスタ経由で渡される、第2引数には仮想メモリの先頭アドレスが、第3引数にはキャラクタ・パターン・テーブルの先頭アドレスが渡されるが今回は使わないので宣言しない。

　ARMの関数呼び出し規約では、4個までの引数はR0～R3レジスタを使い、5個目以上の引数はスタック経由で渡すらしい。 第2引数(uint8_t* mem)、第3引数(uint8_t* font)を宣言すると、R1とR2レジスタをコンパイラが使わなくなるので第2、第3引数は宣言しなかった。

マスクアクセス(masked access)

　Ichihojamに使われているCPU LPC1114FN28には、マスク・アクセスという機能がある。福野さんのサイトに解説がある。
(マシン語でLEDを光らせよう！ - IchigoJamではじめるArmマシン語その4)

　一般に出力ポートの特定のビットを制御するときには、他のビットに影響しないようにする必要がある。
C言語では、出力ポートPxに'1'や'0'を出力するには、Px |= (1<<BIT)、Px &= ~(1<<BIT)
と書くことが多い。

もっと詳しく書くと
　W <- Px
　W <- W & (1<<BIT)
　W <-  DATA << BIT
　Px <- W
という処理が必要だ。つまり、変数Wに一旦ポートのデータを読んできて書き換えたいビットだけ書き換えてもう一度ポートに出力する処理が必要になる。

　簡単に言うと、この面倒な処理を一度のアクセスで実現するのがマスク・アクセス機能で、GPIOのベース・アドレス付近にこの機能が割り当てられている。

　C言語的には、ベースアドレスに配列 uint32_t MSKED_ACCESS[4096]　があって。配列の要素がそれぞれビット・パターン(マスクパターン)に対応している。

　例えば、IchigojamのGPIO1のbit(5)に接続されているLEDを制御する場合。

　GPIO1のベースアドレスは 0x50010000で、データ・レジスタ GPIO1_DATA は 0x500103FFCにマッピングされている。

　LEDを点灯させるには GPIO1_DATA(5)に'1'を出力すればよいから

　GPIO1_DATA |= (1<<5);

となる。これをマスク・アクセスを使うと

　GPIO1_MASKED_ACCESS[1<<5] = (1<<5);

でよい。出力する値は I<<5= 0b00010000でなくても、5ビットが1であれば良く、0b11111111でも良い。

　Cで書くと手間はあまり変わらないが、マシン語に翻訳すると

      GPIO1_DATA |= (1<<5);

    movs    r3, #32     ; r3 <- 1<<BIT_LED
    ldr     r2, .L2     ; r2 <- &PIO1_DATA
    ldr     r1, [r2]    ; r1 <- *PIO1_DATA
    orrs    r3 r1       ; r1 <- *PIO1_DATA | (1<<BIT_LED)
    str     r3, [r2]    ；（PIO1_DATA <- r1
    bx      lr          ; return_
    .align  2
.L2:
    .word    0x50013FFC

   GPIO1_MASKED_ACCESS[1<<5] = (1<<5);

    movs    r2, #32     ; r2 <- 1<<BIT_LED
    ldr     r3, .L5     ; r3 <- &PIO1_MASKED_ACCESS[1<<BIT_LED]
    str     r2, [r3]    ; PIO1_MASKED_ACCESS[1<<BIT_LED] <- 1<<BIT_LED
    bx      lr          ; return    ;
    .align   2
.L5:
    .word    0x50010008 ; &PIO1_MASCED_ACCESS[1<<BIT_LED]

コードは短くなっている。

　コードが減るより重要なことは、ポートアクセスは一旦ポートの状態を読んでいるので、処理中にポートの状態が変わってしまうと誤動作してしまう。　ところが、マスクアクセスはポートの状態を読み出さないので、誤動作する心配がないということである。

ウエイト(時間待ち)

　Cのソースはごく普通に16/8bitのデータを受けて1ビットづつ出力する処理だ。

　TM1638のデータシートを見るとクロックの最小パルス幅(PWCLK)は400ns、データセットアップタイム(tSETUP) データホールドタイム(tHOLD)はそれぞれ100nsとなっている。

　BASICは遅いからクロック出力はOUT 2,0/OUT 2,1で良いが、
マシン語に置き換えると速すぎる。'1'又は'0'を出力して400nsは出力データが変わらないように時間待ちする必要がある。

最適化

　gccは-Oオプションで最適化レベルを指定できる。実行速度よりコード領域を最小化するオプション　-Os は強力だ。 Ichigojamのようにマシン語で使える領域が少ない場合には有難い。

　ところが、-Osオプションで最適化すると、ループを回って時間待ちするルーチンは最適化されて無くなってしまう。

　void wait(void { int i; for (i=0;i<100;i++) ; }

の結果はどこにも影響を与えないので無くても良いということだけど、ちょっと困る。

　最適化されないようにするには、wati()関数内で volataile属性の変数にアクセスすれば良い。　volatile属性は、例えばIO関係のレジスタや割り込みで使用される変数のようにアクセスするたびに内容が変わるという意味だ。

　つまり、コンパイラに「あんたが知らないうちに値が変わってる変数だヨ」と教えておくと、最適化しないでくれる。

　これをコンパイルして、wati(),recv(),send()をBASICのPOKE文にすると

REM wait()
 POKE #700,#03,#4B,#1A,#68,#1A,#68,#1A,#68,#1A,#68,#1B,#68,#70,#47,#C0,#46,#08,#00,#01,#50
 REM recv()
 POKE #714,#20,#21,#F8,#B5,#04,#00,#10,#25,#02,#27,#0B,#4A,#13,#68,#8B,#43,#13,#60
 POKE #726,#00,#23,#09,#4E,#33,#60,#FF,#F7,#E8,#FF,#08,#4B,#1B,#68,#64,#00,#37,#60
 POKE #738,#01,#3D,#1C,#43,#FF,#F7,#E0,#FF,#00,#2D,#F0,#D1,#60,#09,#F8,#BC,#02,#BC
 POKE #74A,#08,#47,#00,#80,#00,#50,#08,#00,#01,#50,#80,#00,#00,#50
 REM send()
 POKE #758,#20,#21,#0F,#4A,#F8,#B5,#13,#68,#0B,#43,#13,#60,#00,#22,#02,#27,#0C,#4B
 POKE #76A,#04,#04,#E4,#0F,#1A,#60,#E4,#00,#45,#01,#00,#23,#0A,#4E,#33,#60,#0A,#4B
 POKE #77C,#1D,#60,#FF,#F7,#BF,#FF,#01,#34,#37,#60,#6D,#08,#FF,#F7,#BA,#FF,#10,#2C
 POKE #78E,#F1,#D1,#F8,#BC,#02,#BC,#08,#47,#C0,#46,#00,#80,#00,#50,#04,#00,#01,#50
 POKE #7A0,#08,#00,#01,#50,#80,#00,#00,#50

BASICソース

BASICのプログラムはこんな感じ

1 REM TM1638 demo2
2 CLV: VIDEO 0
3 REM === ===
3 REM [0]-[7]    :7SEG data:
3 REM [8]        :guard
3 REM [9]        :LED data
3 REM [20]-[22]  :key
3 REM [23]-[26]  :key scan data
3 REM
3 REM === FONT ===
3 REM  -- a       dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba
3 REM |f |b     0: 0011 1111 1: 0000 0110 2: 0101 1011 3: 0100 1111
3 REM  -- g       dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba
3 REM |e |c     4: 0110 0110 5: 0110 1101 6: 0111 1101 7: 0000 0111
3 REM  -- d .dp   dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba
3 REM           8: 0111 1111 9: 0110 1111 A: 0111 0111 B: 0111 1100
3 REM             dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba
3 REM           C: 0011 1001 D: 0101 1110 E: 0111 1001 F: 0111 0001
3 LET [80],#3F,#06,#5B,#4F, #66,#6D,#7D,#07, #7F,#6F,#77,#7C, #39,#5E,#79,#71
4 REM             dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba
4 REM           H: 0111 0110 L: 0011 1000 G: 0011 1101 Y: 0110 1110
4 REM             dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba   dpgfe dcba
4 LET [96],#76,#38,#3D,#6E
5 D=3        :'Duty:1/16
6 'P=0        :'Position 0
7 'L=8        :'Length 8

100 REM === MAIN ===
120 REM I/O STB:1 CLK:2 DI:IN3/OUT10
120 OUT 1,1: OUT 2,1
130 GOSUB @DSPOFF
135 @SCRL
140 REM SCROOL
140 LET [0],0,0,0,[99],[80],[85],[96],[81],0    :'"YOSHI"
150 @LOOP1
160 GOSUB @GETKEY: [9]=[20]
170 'PRINT HEX$([23],4);" ";HEX$([24],4);" ";BIN$([20],8)
170 PRINT BIN$([20],8);:FOR I=0 TO 7:?CHR$(8);:NEXT
180 N=N+1:
190 IF [20]=#81 THEN GOSUB @DSPNUM: GOTO @SCRL
200 'ELSE
210  P=0: L=8: GOSUB @DSP7SEG
220  [8]=[0]: COPY #800, #802, 16
280 GOTO @LOOP1

500 REM Disp number
500 REM N:number
500 REM W:work Y:counter
500 @DSPNUM
510 W=N: LET[0],0,0,0
520 FOR Y=7 TO 3 STEP -1
530   IF W=0 THEN [Y]=0
540   [Y]=[80+W%10]: W=W/10
550 NEXT
560 GOSUB @DSP7SEG
570 RETURN

600 REM    KeyScan
600 REM    Command=#42:Rread key-scan data
600 REM    [20]:K1 [21]:K2 [22]:K3 [23]-[26] scan data
600 REM S:SendData R:RecvData Y:counter
600 @GETKEY
610 S=#42: GOSUB @SENDC
620 FOR Y=23 TO 24
630   GOSUB @RECV
640   [Y] = R
650 NEXT
660 OUT 1,1    :'STB off
670 X=#8888
680 FOR Y=0 TO 2: U=Y+20
690   [U]=    ([23]&X)>>(1-Y)        :'-1---5---2---6--
690   [U]=[U]|([24]&X)>>(3-Y)        :'-1-3-5-7-2-4-6-8
700   [U]=([U]&#FF)|([U]&#FF00)>>7   :'--------12345678
710   X=X>>1
720 NEXT
730 RETURN
                   
800 REM DISP OFF
800 REM S:Send data #80=Command:Display Off
800 @DSPOFF
810 S=#80+D: GOSUB @SENDC: OUT 1,1
820 RETURN

900 REM DISP 7SEG (address add mode)
900 REM D: Dimmer 0-7 #80:Disp OFF
900 REM P: Position
900 REM L: Length
900 REM [0]-[7]: 7SEGx8, [9]:LEDx8
900 @DSP7SEG
910 S=#40:GOSUB @SENDC: OUT 1,1        :'#40: write register | auto increment
920 S=#C0+P*2: GOSUB @SENDC            :'address
930 FOR I=0 TO (L-1)
940   S=[P+I]: GOSUB @SENDD            :'7SEG
960 NEXT
970 OUT 1,1                            :'STB off
980 @DSPON: S=#88 | D: GOSUB @SENDC: OUT 1,1    :'88H:disp on
990 RETURN

1000 REM R:Recv data(16bit)
1000 @RECV
1000 R=USR(#714,0)
1010 'OUT 10,-1            :'OUT10->IN3
1020 'FOR X=1 TO 16
1030 '  OUT 2,0            :'OUT2:CLK
1040 '  R = R<<1: R=R+IN(3)    :'IN3, DI
1050 '  OUT 2,1            :'OUT2:CLK
1060 'NEXT
1070 RETURN

1100 REM S: Send data
1100 REM 1xxxxxxx CCCCCCCC : command(8bit)
1100 REM 0xxxxxDD DDDDDDDD : data(10bit)
1100 @SENDC        :'send command
1110 S=S|#8000
1120 @SENDD        :'send data
1130 X=USR(#758,S)
1130 'OUT 1,0        :'STB on
1140 'M=16: IF S&#8000 THEN M=8
1150 'FOR X=1 TO M
1160 '  OUT 2,0        :'OUT2:CLK
1170 '  OUT 10, S&1    :'OUT3:DIO
1180 '  OUT 2,1        :'OUT2:CLK
1190 '  S = S>>1
1200 'NEXT
1210 RETURN

コマンドは8ビット、データは16ビットで送受信するように変えた。

　メモリ容量が足りないので、ソースの中にマシン語が書けない。
マシン語をメモリに書き込む処理は最初に実行すれば良い。そしてプログラム実行中に書き換える必要性はないので、プログラム実行前にダイレクトモードで実行すればよい。メモリにセーブしたい場合には、別プログラムにしてLRUNで呼び出すことになる。

　1024バイトに収まるようにパックすると、

10 'TM1638 demo2
20 CLV:VIDEO 0
30 LET[80],#3F,#06,#5B,#4F,#66,#6D,#7D,#07,#7F,#6F,#77,#7C,#39,#5E,#79,#71
40 LET[96],#76,#38,#3D,#6E:D=3:OUT 1,1:OUT 2,1:GSB @DSPOFF
50 @SCRL:LET[0],0,0,0,[99],[80],[85],[96],[81],0
60 @LOOP1:GSB @GETKEY:[9]=[20]:? BIN$([20],8):FOR I=0 TO 7:?CHR$(8);:NEXT:N=N+1
70 IF[20]=#81 GSB @DSPNUM:GOTO @SCRL
80 P=0:L=8:GSB @DSP7SEG:[8]=[0]:COPY #800,#802,16:GOTO @LOOP1
90 @DSPNUM:W=N:LET[0],0,0,0:FOR Y=7 TO 3 STEP-1:IF W=0 [Y]=0
100 [Y]=[80+W%10]:W=W/10:NEXT:GSB @DSP7SEG:RTN
110 @GETKEY:S=#42:GSB @SENDC:FOR Y=23 TO 24:GSB @RECV:[Y]=R:NEXT:OUT 1,1:X=#8888
120 FOR Y=0 TO 2:U=Y+20:[U]=([23]&X)>>(1-Y):[U]=[U]|([24]&X)>>(3-Y)
130 [U]=([U]&#FF)|([U]&#FF00)>>7:X=X>>1:NEXT:RTN
140 @DSPOFF:S=#80+D:GSB @SENDC:OUT 1,1:RTN
150 @DSP7SEG:S=#40:GSB @SENDC:OUT 1,1:S=#C0+P*2:GSB @SENDC:FOR I=0 TO(L-1):S=[P+I]
160 GSB @SENDD:NEXT:OUT 1,1
170 @DSPON:S=#88|D:GSB @SENDC:OUT 1,1:RTN
180 @RECV:R=USR(#714,0):RTN
190 @SENDC:S=S|#8000
200 @SENDD:X=USR(#758,S):RTN
'974bytes

マシン語

　わざわざ窮屈なメモリ環境でBASICからマシン語を使わなくて良いと思う。　Cで書いていると「全部Cで書いたらいいじゃないか」と思ったりして．．．

　趣味やパズルだと考えるとやる気がわいてくるのだけれど。^^)

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• IchigoJam(2015/03/30)
• IchigoJam BASICのFOR/NEXT(2015/04/05)
• IchigoJam BASICのFOR/NEXT(2)(2015/04/07)
• IchigoJam(2) -IchigoJamそっくりさんを作る-(2015/05/17)
• IchigoJam(3) -超小型ARMマイコン基板- (2015/05/)
• IchigoJam(4) -モリダンプ・プログラム-(2015/06/01)
• IchigoJam(5) -HDSP0670を使った4digit clock-(2015/09/24)
• IchigoJam(6) <4桁時計ダイナミック表示>（2015/10/13）
• IchigoJam(7) <OUT8～OUT11使用 4桁時計ダイナミック表示>(2015/10/19)
• IchigoJam(8) <8x8LED>
• IchigoJam(9) <8x8LEDで8Qeen問題>(2015/11/10)
• IchigoJam(10) <8x8LEDを光センサーにする>(2015/11/17)
• IchigoJam(10) <LED&KEY>(2018/04/08)
• IchigoJam(11) <LED&KEYを機械語で>(2018/04/15)

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