はじめに

　Raspberry Pi Picoに搭載されているPIO(Programable I/O)は、精密なGPIOの制御ができる専用のハードウェアモジュール。CPUの処理負荷を使わずに、複雑なタイミングの信号生成や、特殊なプロトコルの実装をできるため、柔軟な I/O を必要とする場面で非常に便利な機能。PIOはC/C++でもMicroPythonどちらでも利用可能。本記事では、MicroPythonを中心にまとめる。

C/C++の場合
*.pio にPIO制御用のアセンブラを記述すると、Build時に *.pio.h のCファイルに変換され、Cから関数としてコールすることができるようになる。公式ドキュメントは下記の「Chapter 3. Using programmable I/O (PIO)」参照。

　　Raspberry Pi Pico-series C/C++ SDK

MicroPythonの場合
import rp2でライブラリをインポートすると、*.pyファイル内に直接アセンブラ記述が可能。公式ドキュメントは下記の「3.9. PIO Support」参照。

RP-008355-DS-1-raspberry-pi-pico-python-sdk.pdf

目次

PIOの仕組み
アセンブラ命令
PIOの設定
PIOを使った例

PIOの仕組み

PIOの構成をまとめる。詳細はデータシート参照。RP2040がPico1でPR2350がPico2。
RP-008371-DS-1-rp2040-datasheet.pdf
RP-008373-DS-2-rp2350-datasheet.pdf

HW構造
- PIOが2ブロック(Pico2 は3ブロック)
- 4つのステートマシーンと各ステートマシーンごとに32bitのTx/RxのFIFO
- 4つのステートマシン共有の32命令分のメモリ
- FIFOはCPUやDMAでデータのやり取りができるバッファ
　
機能
- クロック分周
  クロック分周器でステートマシーンの処理速度を調整する。
- OSR(Output Shift Register)
  Tx FIFO→OSR→Pinへ1bitずつH/L出力
- ISR(Input Shift Register)
  Pinの1bitずつH/L入力→ISR→RX FIFO

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アセンブラ命令

アセンブラの命令は9つ準備され、pin/pins/x/y/[delay]と組み合わせて使う。

pin/pins
ステートマシーンで設定するin_base,out_baseで決まる。pinはin_baseで設定したpinで、pinsはそこから連続するpin数を指定する。
　
x/y
32bitの汎用レジスタでPIOの中で値を保持や比較、ループカウンタに使うためにある。2種類存在する。
　
[delay]
各命令の後のdelayを指定する。例えば set(pins,1) [5] とすると、setのあとに5delayかけるという意味。delayは5bit表現で最大[31]まで設定できる。

命令	MicroPython 記法	概要
JMP	jmp("label") jmp(x_dec, "label") jmp(not_x, "label")	条件付きジャンプ。x_dec は X-- して 0 でなければジャンプ。not_x は x==0 ならジャンプ。
WAIT	wait(1, pin, 0) wait(0, irq, 3)	Pin または IRQ の状態待ち。wait(1, pin, 0) は GPIO0 が High になるまで待つ。
IN	in_(pins, 1)	Pin やレジスタの値を ISR に取り込む。in_(pins, N) は Nbit の GPIO を読む。
OUT	out(pins, 1) out(x, 1)	OSR のビットを Pin やレジスタへ出力。out(pins, N) は Nbit を GPIO に出す。
PUSH	push() push(block)	ISR → RX FIFO へ転送。block 付きは FIFO が空くまで待つ。
PULL	pull() pull(block)	TX FIFO → OSR へ転送。block 付きは FIFO が空なら停止。
MOV	mov(x, y) mov(pins, x) mov(x, invert(x))	レジスタ間コピー、反転、ビット操作。invert(x) は ~x と同じ。
IRQ	irq(0) irq(block, 1)	IRQ フラグのセット/クリア/待ち。irq(block, n) は IRQ n がセットされるまで待つ。
SET	set(pins, 1) set(x, 0) set(pindirs, 1)	即値を Pin やレジスタへ書き込み。set(pindirs, 1) は GPIO を出力に設定。

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PIOの設定

PIOの制御はデコレータで記載し、StateMachine() → .active(1) で設定駆動させる。デコレータについてはPythonのデコレーター #Python - Qiitaを参照。

ざっくり下記のような感じになる。

from machine import Pin
import rp2
from rp2 import StateMachine

# デコレータで記述
@rp2.asm_pio(set_init=(rp2.PIO.OUT_LOW))
def pio_test():
    #-------------------
    #ここにアセンブラを書く
    #------------------- 

# StateMachine0　を 2MHzでGPIO0を起点に pio_test()で設定
sm = StateMachine(0, pio_test,freq=2_000_000,set_base=Pin(0))
sm.active(1)

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PIOを使った例

GPIO0/1/2/3/4をPIOで制御する例を示す。GPIO0/1/2/3 をH/L出力させる。GPIO4は入力で値を32bit単位でRxFIFOに詰める例。

from machine import Pin
import rp2
from rp2 import StateMachine
import time

# GPIO 0,1,2,3 を設定 set_initはtapleで使うポート分列挙する
@rp2.asm_pio(set_init=(rp2.PIO.OUT_LOW,rp2.PIO.OUT_LOW,rp2.PIO.OUT_LOW,rp2.PIO.OUT_LOW))
def pio_toggle():
    # wrap_target()→wrap()でループし続ける。
    wrap_target()
     # GPIO 0,1,2,3の値を同時に設定できる。
    set(pins,  0b0001)
    set(pins,  0b0010) [1]
    set(pins,  0b0100) [2]
    set(pins,  0b1000) [3]
    set(pins,  0b0000) [4]
    set(pins,  0b1111) [6] # GPIO0,1,2,3をHにして6 delayする
    set(pins,  0b0000)
    wrap()

# GPIO 4に32bit ISRにたまったら、自動的に RxFIFOにpushするという設定
@rp2.asm_pio(in_shiftdir=rp2.PIO.SHIFT_LEFT, autopush=True, push_thresh=32)
def pio_read():
    wrap_target()
    in_(pins, 1)
    wrap()

# --- 出力側 SM0 --- 2MHz GPIO 0基点
sm0 = StateMachine(0, pio_toggle,freq=2_000_000,set_base=Pin(0))

# --- 入力側 SM1 --- 2MHz GPIO 4基点
sm1 = StateMachine(1, pio_read,freq=2_000_000,in_base=Pin(4))

sm0.active(1)
sm1.active(1)

# --- 読み取りループ ---
while True:
    if sm1.rx_fifo():
        v = sm1.get()
        print(f'{v:08X}')

　この例の結果をロジアナでとると👇OUT方向のGPIO0,1,2,3は下記の波形となる。H/Lの区間がぴったり制御できる。

　PIOを使えばどんな複雑な波形でも記述できるので、いろいろな用途に使えそう。またIN方向については、今回DMAを使っていないので、CPUの取りこぼしが出ると思うが、DMAと組み合わせてあげれば取りこぼしなくRAMにポートの状態をコピーし続けることができるので、Picoでロジックアナライザを作ることもできると思う。

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