MicroPython

Raspberry PiのPWMハードウェアには、シリアライザモードがあります。これはビット列を単に出力するもので、クロックに同期して32bitのデータをMSB側からGPIOへ出力します。
ベアメタルRaspberry Pi用MicroPythonで、この機能を使ってNeoPixelを点灯させてみました。
MicroPythonからPWMのハードウェアをたたくだけで、5つのNeoPixelを制御することができました。

NeoPixelの制御は、以前Raspbianや、ESP32のMicroPythonで試しています。

Raspberry PiのGPIO操作（３）NeoPixelを光らせる – 楽しくやろう。

MicroPythonのNeoPixelライブラリを使ってみた – 楽しくやろう。

制御には既存のライブラリを使用していますが、制御プロトコルの調査は一応していました。非常に単純なプロトコルで、GRB各8bitの値を、以下のようにエンコードして信号線1本で送信します。

標準的には1ビットあたり1.25usecで、

・0を送る場合はH:0.25us + L:1us
・1を送る場合はH:1us + L:0.25us

となります。HとLの持続時間は、それぞれ±0.15usが許容されます。

従って、Hの区間とLの区間の長さの比は、1:4が標準なのですが、最悪の場合は

(0.25+0.15) : (1-0.15) = 4:8.5

および

(0.25-0.15) : (1+0.15) = 1:11.5

となりますので、1:3～1:11までと結構許容範囲は広いです。

ちなみに上記はWS2812Bの場合ですが、最近Adafruitが使っているSK6812というチップでは、

・0を送る場合はH:0.3us + L:0.9us
・1を送る場合はH:0.6us + L:0.6us

となっているようです。許容誤差は±0.15usで変わりありません。

シリアライザの出力で制御する場合、HとLの持続時間の比を1:3として

0: HLLL
1: HHHL

というようにエンコードしてやれば良さそうです。

すると、シリアライザ4ビットでNeoPixelの1ビット分の情報を送ることができます。
32bitなら8bit分の情報になりますので、３つでNeoPixel一つ分のGRB信号を送れます。

HまたはLを１つ出力する時間は0.29us～0.38usとすれば規格の範囲に収まります。
これをシリアライザのクロック周波数に換算すると、2.7MHz～3.4MHzになります。
クロックマネージャで19.2MHzを6分周すれば上記を満たす3.2MHzになります。

MicroPythonの実行速度では、このスピードでデータを連続して送り出すのは無理ですが、ハードウェアPWMにはFIFOバッファが16個（×32bit）ありますので、用意したデータを16個連続して出力することは可能です。
これを使用すれば3つでNeoPixel一個分として、5連のNeoPixelまでFIFOで出力できそうです。

ですので、Cのプログラムを書かなくてもMicroPythonだけでNeoPixelの制御を実現できる（5個までなら）ことになります。
というわけで書いてみたのが以下のコードです。

このコードで、若干トリッキーなのがuint32()という関数です。
MicroPythonには符号無し整数というものがないので、unsignedな32bit整数を処理系に渡したいときは、signed 32bit整数に変換して送る必要があります。例えば0xffffffffを渡したければ-1を渡すということです。
uint32はこのための変換を行っています。

ちなみに、NeoPixelの制御信号を作り出すには、他にSPIを使う方法とI2Sを使う方法があります。
よく用いられているRaspbian用のNeoPixelドライバは、この3つ全てをサポートしています。

ベアメタルRaspberry PiのMicroPythonでSDカードの書き込みができるようになったので、起動時にSDカードをルートディレクトリにマウントするように変更しました。

他のマイコン（STM32、ESP8266、ESP32等）のMicroPythonでは、内蔵フラッシュの一部をファイル保存領域として使用し、起動時にその領域をマウントするようになっています。

Raspberry Piは内蔵フラッシュではなくSDカードにファイルを保存しますので、起動時にSDカードをマウントするのが理に適っています。

これまではSDカードが読み込みしかできなかったので、SDカードをルートにマウントすると全体が書き込み不可になってしまうのを防ぐため、ルートはRAMディスクを作成し、SDカードは/sdにマウントしていました。
さらに、RAMディスク自体をMicroPythonで実装していたため、そのコードを読み込むためにフローズンモジュールを使うというややこしいことをしていました。

今回はこれを本来の形に戻し、フローズンモジュールで行っていたことをSDカード上のスクリプトで実行するようにしました。

MicroPythonは、起動時にストレージからboot.pyを読んで実行し、次にmain.pyを実行します。
この流れはMicroPython本体ではなく、各プラットフォームへのportで実装されていますので、他のプラットフォームのmain.cの内容を見ながら実装しました。

実装中に一つ引っかかったのは、スクリプトのサーチパスの設定です。
サーチパスはsysモジュールの変数pathにディレクトリのリストとして記述されていますが、その初期値は他のプラットフォームの実装では

mp_obj_list_append(mp_sys_path, MP_OBJ_NEW_QSTR(MP_QSTR__slash_lib));

のような形で与えられています。
これはsys.path.append('/lib')と同等の処理になっているはずですが、コピペしてもMP_QSTR__slash_libが'/lib'に変換されないのでしばらく悩みました。

結局、他のプラットフォームでの実装をよくよく見ると、qstrdefsport.h というファイルでQ(/lib)というマクロを実行しており、これが無いと上記の変換が行われないのでした。
Cのシンボルに使用できない文字を含む文字列は、qstrdefsport.hの中で宣言しなければならないようです。

今回の実装を使って、main.pyでRaspberry PiのフレームバッファにREPLを表示させるコードを実行させてみました。
ファイル構成は

/sd/main.py
/sd/lib/fbconsole.py
/sd/lib/rpi.py

としました。

main.pyの中身は

となっています。
fbconsole.pyは前回の記事で紹介したものです。

rpi.pyはRaspberry Piのフレームバッファをframebufクラスのオブジェクトとして扱えるようにするもので、以下の内容が入っています。

以前の記事「Raspberry Piの画面をMicroPythonのコンソールにしてみた」のコードをほぼそのまま流用しています。