ORANGE-4のI/Oの仕様を調査してみた (暴走もあるよ)

ORANGE-4には、3本のI/Oピンを制御できる命令がある。
今回は、これらのI/Oについて挙動を調べてみた。
今回対象とするファームウェアのバージョンは1.09である。

免責

今回は、仕様に無い挙動や、仕様に反する使い方を扱う。
そのため、ファームウェアのバージョンやそれまでの操作、個体差、環境などによって挙動が変わる可能性が考えられる。
この記事の内容を参考にした、または参考にしなかった結果生じた一切の損害について、筆者は責任を負わない。

I/Oの仕様

ORANGE-4には、PORT1、PORT2、PORT3の3本のI/Oピンがある。
また、これらの操作用の以下の命令がある。
(マニュアル「必ずわかるORANGE-4機械語プログラミング」(2020/3/23版) に基づく)

機械語	ニモニック	動作 (仕様)
F70	ioctrl	Aレジスタの値により、Yレジスタで指定したポートの設定を行う。 A=0 : デジタル出力 A=2 : デジタル入力
F71	out	Yレジスタで指定したポートに、Aレジスタの値(0または1)を出力する。 ポートはioctrl命令でデジタル出力の設定をしておく必要がある。
F72	in	Aレジスタに、Yレジスタで指定したポートの状態を読み込む。 ポートはioctrl命令でデジタル入力の設定をしておく必要がある。

調査方法

ソフトウェア

パラメータをキーを用いて自由に指定してioctrl命令、out命令、in命令を実行できる以下のプログラムを用意した。

以下のプログラムは、MikeAssemblerでアセンブルできる。
また、先頭のtarget orange4を取ればORANGE-4 IDEでもアセンブルできる。

target orange4

	; 操作方法
	; 1. コマンドを選択する (状態を2進LEDに表示する)
	;    0 : ioctrl
	;    1 : out
	;    2 : in
	;    その他 : 無効 (無視)
	; 2. ポートを選択する (0-f)
	; 3. パラメータを選択する (0-f) (ioctrl, out のとき)
	;    読み込んだ値を7セグメントLEDに表示する (in のとき)

	org 0x00

	ay
	scall 0
	ldi 0
	ldyi 0xE
	st
	ldyi 0xF
	st
main_loop:
	; 2進LEDを消灯する
	scall 0xD
	; モード選択
	call key_input
	cpi 0
	jmpf not_ioctrl
	; 0 : ioctrl
	ldyi 0
	scall 1
	; ポートを選択する
	call key_input
	outn
	ldyi 6
	scall 1
	; パラメータを選択する
	ay
	call key_input
	; コマンドを実行する
	ioctrl
	scall 0
	jmpf main_loop

	org 0x80

not_ioctrl:
	cpi 1
	jmpf not_out
	; 1 : out
	ldyi 1
	scall 1
	; ポートを選択する
	call key_input
	outn
	ldyi 6
	scall 1
	; パラメータを選択する
	ay
	call key_input
	; コマンドを実行する
	out
	scall 0
	jmpf main_loop
not_out:
	cpi 2
	jmpf main_loop
	; 2 : in
	ldyi 2
	scall 1
	; ポートを選択する
	call key_input
	outn
	ldyi 6
	scall 1
	; コマンドを実行する
	ay
	in
	outn
	jmpf main_loop

key_input:
	ink
	jmpf key_input
	; キー入力後、チャタリング対策で待つ
	abyz
	ldi 0
	scall 0xC
	abyz
key_release_wait:
	ink
	jmpf key_released
	jmpf key_release_wait
key_released:
	; キー入力後、チャタリング対策で待つ
	abyz
	ldi 0
	scall 0xC
	abyz
	ret

このプログラムの機械語のORANGE-4のモニター向け表現は、以下のようになった。

E00:3E080AE4AF4EDF60
E10:BCC0F80A0E1F60BC
E20:1A6E13F60BCF70E0
E30:F0B
E80:C1FA1A1E1F60BC1A
E90:6E13F60BCF71E0F0
EA0:BC2F0BA2E1F60BC1
EB0:A6E13F721F0B0FBC
EC0:280EC20FCDFC6280
ED0:EC2F61

ハードウェア

調査対象のポートから、GNDとVDDそれぞれに20kΩ(公称値)の抵抗を接続し、GNDからポートの電圧を測定する。

測定される電圧から、ポートの状態を以下のように判定する。

電圧	状態
3.3V付近	HIGHを出力
1.65V付近より高く、3.3V付近より低い	プルアップ
1.65V付近	ハイインピーダンス
0V付近より高く、1.65V付近より低い	プルダウン
0V付近	LOWを出力

調査

リセット時の状態

電源投入直後は、3ポートとも「LOWを出力」となっていた。
プログラムを実行してポートの状態を変更した後、RSTボタンによりプログラムの実行を止めた時は、ポートの状態は維持された。
RESETボタンによるリセットを行うと、ポートの状態は「LOWを出力」に戻った。

ポートの選択

ioctrl命令では、Yレジスタの値によって以下のポートの状態が変わった。

Yレジスタの値	状態が変わったポート
1	PORT1
2	PORT2
3	PORT3
0,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F	なし

out命令では、Yレジスタの値によって以下のポートの状態が変わった。

Yレジスタの値	状態が変わったポート
1	PORT1
2	PORT2
3	PORT3
0,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F	なし

in命令においては、PORT1、PORT2、PORT3全てにHIGHを入力した状態で実行した結果、
Yレジスタが1,2,3の時はAレジスタの値が1となり、それ以外の時はAレジスタの値が0となった。
よって、ioctrl命令やout命令と同様に、Yレジスタの値1,2,3がそれぞれPORT1,PORT2,PORT3に対応すると推測できる。

ポートの設定

リセット後、PORT1について、ioctrl命令によるポートの設定を行った。
Aレジスタの値として0～Fを昇順に試した結果、命令実行後のポートの状態は以下のようになった。

Aレジスタの値	ポートの状態
0,1,F	LOWを出力
2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E	ハイインピーダンス

また、リセット後、Aレジスタの値として3～Fを昇順に試した結果、ポートの状態は「LOWを出力」のまま変わらなかった。
さらに、リセット後、PORT1をデジタル入力に設定(Aレジスタの値=2)した後、Aレジスタの値として1を用いると、ポートの状態は「ハイインピーダンス」のまま変わらなかった。
したがって、Aレジスタの値が0,2,F以外の場合、ポートの状態は変わらないと推測できる。

仕様にあるAレジスタの値0,2でポートの設定を行った場合、その後もioctrl命令でポートの設定を変更したり、out命令でポートの出力を設定したりできる。
一方、Aレジスタの値Fでポートの設定を行った場合、ioctrl命令やout命令を用いても反応せず、ポートの状態は「LOWを出力」のままとなった。
一旦RSTボタンでプログラムの実行を止めて再実行しても、反応は復活しなかった。
この設定を行う前のポートの状態が「デジタル入力」「デジタル出力、0を出力」「デジタル出力、1を出力」のどれであっても、この現象が見られた。
また、あるポートがこの設定により反応しなくなっても、他のポートはこの設定をしない限り反応は維持されるようだった。

したがって、ioctrl命令実行時のAレジスタの値とポートの設定は以下のようになっていると考えられる。

Aレジスタの値	ポートの設定
0	デジタル出力
2	デジタル入力 (ハイインピーダンス)
F	ポートを無効化し、LOWを出力するように固定
その他	変更なし

ポートへの出力

ioctrl命令でPORT1をデジタル出力に設定した後、Aレジスタの値として0～Fを昇順に用い、out命令をPORT1について実行したところ、ポートの状態は以下のようになった。

Aレジスタの値	ポートの状態
0	LOWを出力
1～F	HIGHを出力

さらに、Aレジスタの値0でout命令を実行した後、Aレジスタの値2～Fそれぞれについてout命令を実行 (それぞれの実行の前にAレジスタの値0でout命令を実行) すると、全てポートの状態は「HIGHを出力」となった。

したがって、ポートがデジタル出力に設定されている場合、out命令におけるAレジスタの値とポートの状態の関係は以下のようになっていると考えられる。

Aレジスタの値	ポートの状態
0	LOWを出力
1～F	HIGHを出力

ioctrl命令でPORT1をデジタル入力に設定した後、Aレジスタの値として0～Fを昇順に用い、out命令をPORT1について実行したところ、ポートの状態は全て「ハイインピーダンス」のまま変わらなかった。

さらに、PORT1について以下のような操作を行うと、PORT1の状態は以下のようになった。

操作	操作の詳細	ポートの状態
プログラムの実行を開始	-	LOWを出力
デジタル出力に設定	ioctrl, A=0	LOWを出力
0を出力	out, A=0	LOWを出力
デジタル入力に設定	ioctrl, A=2	ハイインピーダンス
1を出力	out, A=1	ハイインピーダンス
デジタル出力に設定	ioctrl, A=0	HIGHを出力
デジタル入力に設定	ioctrl, A=2	ハイインピーダンス
0を出力	out, A=0	ハイインピーダンス
デジタル出力に設定	ioctrl, A=0	LOWを出力

よって、デジタル入力に設定してある状態でのout命令による操作も保存され、デジタル出力に設定した際に反映されるようである。
さらに、デジタル出力に設定した状態で、さらにAレジスタの値0でioctrl命令を実行(デジタル出力に設定)しても、ポートの状態は変わらない(HIGHの出力も維持される)ようだった。

ポートからの入力

「ポートの選択」での実験結果より、PORT1、PORT2、PORT3をデジタル入力に設定した状態では、HIGHはAレジスタの値1として読み込まれ、無効なポートはAレジスタの値0として読み込まれることがわかっている。

また、PORT1で実験をすると、LOWはレジスタの値0として読み込まれることがわかった。

ポートをデジタル出力に設定した場合、1を出力している状態ではAレジスタの値1、0を出力している状態ではAレジスタの値0が読み込まれた。
Aレジスタの値2でout命令を実行した後でも、Aレジスタの値1が読み込まれた。
ポートを無効化(Aレジスタの値Fでioctrl命令を実行)した場合も、Aレジスタの値0が読み込まれた。

よって、in命令はポートの設定によらず、HIGHをAレジスタの値1、LOWをAレジスタの値0として読み込むようであることがわかった。

結論

ORANGE-4 (ファームウェアのバージョンは1.09) は、I/O関係について以下のような挙動をするらしいことがわかった。

ポートの選択 (共通)

Yレジスタの値	ポート
1	PORT1
2	PORT2
3	PORT3
その他	無効

ioctrl命令

ioctrl命令は、選択したポートの状態をAレジスタの値によって以下のように設定する。

Aレジスタの値	ポートの設定
0	デジタル出力
2	デジタル入力
F	LOWの出力に固定し、以降のioctrl命令やout命令を無視
その他	変化なし

リセット(電源投入・RESETボタン)時は、デジタル出力に設定したような状態になっている。
RSTボタンによりプログラムの実行を止めても、状態の設定は維持される。

デジタル入力は、ハイインピーダンスのみ(プルアップ・プルダウンなし)のようである。

out命令

out命令は、選択したポートの出力をAレジスタの値によって以下のように設定する。

Aレジスタの値	出力
0	LOW
非0	HIGH

出力の設定はポートがデジタル入力に設定されている時でも有効であり、設定後ポートをデジタル出力に設定すると設定した値が出力される。

in命令

in命令は、選択したポートの状態を以下のようにAレジスタの値に反映する。

ポートの状態	Aレジスタの値
LOW	0
HIGH	1

この関係は、ポートがデジタル出力に設定されている場合でも同様である。(出力している値が読み込まれる)
無効なポートを選択した場合は、Aレジスタの値は0となる。

ポートの物理仕様

ORANGE-4のサイトに載っている回路図より、ポートとマイコンのピンの対応は以下のようになっている。

ポート	ピン番号	ピン名
PORT1	10	OSC2
PORT2	14	RB5
PORT3	7	RB3

使われているマイコン PIC32MX120F032B のデータシートを参照すると、この中で5VトレラントになっているのはPORT2 (RB5) だけであることがわかる。

ORANGE-4の暴走再び

今回のプログラムによる検証中も、前回のXorshiftのプログラムの実行時に見られた暴走現象が度々発生した。

今回の暴走はキー入力時に発生することがあり、発生すると以下の症状が見られた。

• キー操作を受け付けない (数字キーだけでなく、RSTキーも)
• 2進LEDが通常より明るく点灯する
• 押したキーによって2進LEDが点灯することがある (例えば、Cキーを押すとLED3が点灯する)

検証のためにプログラムを削っていったところ、以下のプログラムを実行し、RSTキーで実行を止めると、別の不都合が発生することがわかった。
(「発生することがある」ではなく、100%に近い確率で発生するようである)

target orange4

	; ORANGE-4 Ver 1.09 暴走テスト
	; 1. このプログラムをアセンブルし、モニターから入力する
	; 2. モニターを終了する (qコマンド)
	; 3. 1→RUNで実行する
	; 4. RSTで止める
	; 5. ビープ音が繰り返し鳴り、キー入力を受け付けなくなる

	; ※モニターを終了せずにgコマンドで実行した場合、RSTを押しても不都合は起きない
	; ※モニターを経由せず、キーでプログラムを打ち込んで実行しても不都合が起きる

	org 0x00

	ay
	scall 0
main_loop:
	; 2進LEDを消灯する
	ldi 0
	ldyi 0xE
	st
	ldyi 0xF
	st
	scall 0xD
	; モード選択
	ldi 1
	cpi 1
	jmpf main_loop
	; 1 : out
	ldyi 0
	scall 1
	; ポートを選択する
	ldi 1
	outn
	ldyi 1
	scall 1
	; コマンドを実行する
	scall 0
	jmpf main_loop

E00:3E080AE4AF4ED81C
E10:1F03A0E1811A1E1E
E20:0F03

このプログラムを実行し、RSTキーで実行を止めると、以下の現象が発生した。

• 約134BPMで「ピッ」という短い音が鳴り続ける
• キー操作を受け付けなくなる
• 前述の暴走とは異なり、キーを押しても2進LEDは点灯しない

このような暴走現象が発生する詳しい条件は、まだよくわかっていない。