Raspberry Pi Pico

2月5日に秋月電子通商に発注した Raspberry Pi Pico が、思ったより早く(2021-02-09)届きました。

今回の Raspberry Pi Pico は OS として Linux が動作するようなものではなく、マイクロコントローラという、どちらかというと組み込み向けの製品です。 私は 1個 550円 で購入しました。 送料が 500円 だったので、相対的に送料が高い感じです。 550円 でも、133MHz駆動のデュアルコアArm Cortex-M0+、RAM 264KB、フラッシュ 2MB、BOOT ROM 16KB とかなりの高機能です。


とりあえず祖先の Raspberry Pi 1 Model B(2012-09) と記念写真。

RaspberryPiPico00.jpg


電源供給、プログタムの書き込み、データ転送のための USB (micro B) のソケットと、基板にピンヘッダ用のスルーホールが43個あるだけです。 さらに基板上にプログラム書き込み用のBOOTSELボタンとLEDが1つ付いています。

ネットワークもディスプレイも音声出力も何もありません。

RaspberryPiPico01.jpg


Raspberry Pi がどんどん高性能化して、Linux が動作する普通のPCになってしまったので、コンピュータの基礎を学習するために、あえて OS のない環境を出してきたのでしょうか。


まったく何もプログラムが入っていないと動作しないので、16KB の ROM には「bootrom」という BIOS に相当するようなプログラムが入っていて、電源オンからの動作がある程度決まっています。 bootrom の内容はhttps://github.com/raspberrypi/pico-bootrom に公開されています。


アセンブラとCのソースで1万行ほどありますが、2000万行を超える Linux と比較すると、小さいものです。 個人でも頑張れば動作を追っかけられる範囲でしょう。

Raspberry Pi Pico の使い方

Raspberry Pi Pico の使い方は簡単で、プログラムをUSB経由でコピーするだけです。

実行するプログラムは USB Flashing Format (UF2) という形式(拡張子が uf2)のファイルです。 サンプルプログラムをダウンロードするか、自分でプログラムを作成してビルドします。


Raspberry Pi Pico に関する情報源

Raspberry Pi Pico は 2021年1月21日に発表された新しい製品ですが、すでに膨大な量の情報が取得できます。 全部英語ですが、そのうち日本語の情報も増えてくると思います。


また ARM Cortex-M0+ の CPU に関する ARMv6-M のマニュアルである「Armv6-M Architecture Reference Manual」 は https://developer.arm.com/documentation/ddi0419/latest/ からダウンロードできます。 これも374ページあります。

Raspberry Pi Pico のCPU

Raspberry Pi Pico のCPUは、RP2040 という名称の 2コアの Arm Cortex-M0+ というプロセッサです。 チップ内に 264KB の SRAM を持っていて、最大 133MHz で動作します。

Arm Cortex-M0+ は、Crotex-A シリーズのような普通の32ビット 64ビット のARMプロセッサ(1命令が32ビット)とは異なり、1命令が16ビットの Thumb 命令セットで動作します。プログラムが小さくなる効果があるらしいです。 私自身は Thumb 命令セットを使ったアセンブリプログラミングをしたことがないので、そのうち始めようかと思っています。

PicoCPU02.jpg


メモリマップ

先頭の16KBにブート用のROMが置かれます。その後ろに実行用のプログラムが置かれる2MBのフラッシュメモリの領域があって、フラッシュメモリ上で直接プログラムが実行されます。フラッシュメモリの領域はプログラムから書き換えはできません。 データは読み書き、実行が可能なスタティックRAM領域に置かれます。

pico-sdk を使ってビルドすると、リンカスクリプトが自動的に以下の配置となるように設定してくれるので、アドレスを意識する必要はありません。

ROM(16KB)0x00000000
:
0x00003FFF
Flash(2MB)0x100000000
:
0x1001FFFFF
SRAM(256KB)0x20000000
:
0x2003FFFF
SCRATCH_X(4KB)0x20040000
:
0x20040FFF
SCRATCH_Y(4KB)0x20041000
:
0x20041FFF

ピンヘッダのハンダ付け

ハンダゴテ が必要で、初めての人には一番難易度が高い部分かもしれません。 少し練習して、ハンダゴテの先でピンとハンダを先に加熱して、最後に基板のスルーホールにハンダが流れるようにすればできると思います。私は小学生の時からやってました。 今はかなりの老眼で、数年ぶりでしたが大丈夫でした。

PicoSolder03.jpg


ピンヘッダ を使うと ブレッドボード に固定して、ジャンパーワイヤ で回路を仮組みできます。 また、

PimoroniPico Display Pack 等を接続するためにも必要となります。

PicoBreadBoard04.jpg


Raspberry Pi 4B に開発環境を構築

開発環境は、Raspberry Pi上で構築するのが最も簡単ということで、最初は素直に従うことにします。 Raspberry Pi のホームディレクトリで以下のコマンドを実行します。

wget https://raw.githubusercontent.com/raspberrypi/pico-setup/master/pico_setup.sh

chmod +x pico_setup.sh

./pico_setup.sh

pico_setup.sh が行うのは以下のような作業です。


x86_64(amd64) の Ubuntu 20.10 が動作しているデスクトップマシンでは、以下のコマンドでインストール可能でした。

$ SKIP_VSCODE=1 ./pico_setup.sh

Raspberry Pi 用の Visual Studio Code のインストールを行わないように「SKIP_VSCODE=1」を指定しています。 「sudo: raspi-config: コマンドが見つかりません」というエラーが表示されますが、問題ありません。


pico ディレクトリの構成

pico というディレクトリは以下のような構成となりました。 「Lチカ」と「Hello world」のサンプルは pico-examples/build 以下にビルドされています。

jun@raspberrypi ~/pico $ du . --max-depth 2
24      ./pico-playground/audio
32      ./pico-playground/sleep
28      ./pico-playground/standalone
2084    ./pico-playground/.git
20      ./pico-playground/reset
3828    ./pico-playground/scanvideo
28      ./pico-playground/net
272     ./pico-playground/apps
24      ./pico-playground/stdio
6368    ./pico-playground
18708   ./openocd/jimtcl
1432    ./openocd/contrib
3236    ./openocd/testing
109832  ./openocd/src
1244    ./openocd/doc
232     ./openocd/tools
1428    ./openocd/autom4te.cache
12      ./openocd/.github
11400   ./openocd/.git
3532    ./openocd/tcl
154548  ./openocd
20      ./pico-examples/ide
43432   ./pico-examples/build
652     ./pico-examples/spi
680     ./pico-examples/i2c
32      ./pico-examples/hello_world
44      ./pico-examples/multicore
1292    ./pico-examples/pio
52      ./pico-examples/dma
12      ./pico-examples/blink
44      ./pico-examples/rtc
204     ./pico-examples/usb
44      ./pico-examples/pwm
20      ./pico-examples/watchdog
44      ./pico-examples/timer
64      ./pico-examples/adc
28      ./pico-examples/interp
32      ./pico-examples/picoboard
1124    ./pico-examples/gpio
12      ./pico-examples/divider
76      ./pico-examples/flash
2452    ./pico-examples/.git
20      ./pico-examples/reset
44      ./pico-examples/clocks
28      ./pico-examples/cmake
56      ./pico-examples/system
32      ./pico-examples/uart
50576   ./pico-examples
8       ./pico-sdk/external
6724    ./pico-sdk/src
172     ./pico-sdk/test
432     ./pico-sdk/tools
49852   ./pico-sdk/lib
28540   ./pico-sdk/.git
64      ./pico-sdk/cmake
228     ./pico-sdk/docs
86056   ./pico-sdk
9508    ./picoprobe/build
68      ./picoprobe/src
592     ./picoprobe/.git
10180   ./picoprobe
8       ./pico-extras/external
928     ./pico-extras/src
36      ./pico-extras/test
9464    ./pico-extras/lib
12736   ./pico-extras/.git
23204   ./pico-extras
4860    ./picotool/build
24      ./picotool/clipp
36      ./picotool/picoboot_connection
464     ./picotool/.git
12      ./picotool/cmake
5536    ./picotool
398652  .

USBシリアル通信アダプタの接続

ビルドに使った Raspberry Pi は少し離れた場所にあるので、今回は先月(2021-01-14)届いて Ubuntu 20.10 が動作しているデスクトップマシン (Ryzen9 5900X, RTX3070, 32GB, SSD1TB) に、玄箱PROで使っていた FT232RX というFT232RLを使ったUSBシリアル通信アダプタの基板を使いました。


FT232RL が内蔵されたより新しいコンパクトなものは USB-TTLシリアルケーブル や、もっと小型の USB-TTLシリアルアダプター もあるようです。


基板などの固定には、最近 耐震ジェルというか粘着マット を愛用していて、キーボードや色々なデバイスの仮止めやデスクトップマシンの防振にも重宝しています。 ホコリなどで少々汚れても洗剤で洗えば粘着力が復活する点も良いです。


RasPiPico_FT232RX04.jpg


ケーブルの接続は、シリアルアダプタ側の送信(TX)を Raspberry Pi Pico の受信(RX)に接続して(緑)、シリアルアダプタ側の受信(RX)を Raspberry Pi Pico の送信(RX)に接続します(黃)。

FT232RL Pico
GNDGP0UART0 TX
DTR-GP1UART0 RX
TXDGND-
RXD-GP2-
DCD--GP3-

RasPiPico_FT232RX_05.jpg


Raspberry Pi Pico で実行

Linux の dmesg コマンドで、USBシリアル通信アダプタを認識していることを確認します。

sudo dmesg

[  213.427292] usb 3-3: new full-speed USB device number 5 using xhci_hcd
[  213.601586] usb 3-3: New USB device found, idVendor=0403, idProduct=6001, bcdDevice= 6.00
[  213.601587] usb 3-3: New USB device strings: Mfr=1, Product=2, SerialNumber=3
[  213.601588] usb 3-3: Product: FT232R USB UART
[  213.601588] usb 3-3: Manufacturer: FTDI
[  213.601588] usb 3-3: SerialNumber: A1000oKG
[  213.616065] usbcore: registered new interface driver usbserial_generic
[  213.616071] usbserial: USB Serial support registered for generic
[  213.617966] usbcore: registered new interface driver ftdi_sio
[  213.617970] usbserial: USB Serial support registered for FTDI USB Serial Device
[  213.618005] ftdi_sio 3-3:1.0: FTDI USB Serial Device converter detected
[  213.618021] usb 3-3: Detected FT232RL
[  213.624661] usb 3-3: FTDI USB Serial Device converter now attached to ttyUSB0

hello_serial.uf2

pico/pico-examples/hello_world/serial をビルドすると、以下のように多くのファイルが生成されます。 Raspberry Pi Pico で実行するのは hello_serial.uf2 です。 hello_serial.dis は逆アセンブルされたリストです。 CMakeFiles/hello_serial.dir/link.txt は最終的にリンクに使ったコマンドと思われます。 リンカ(ld) に大量のオプションを渡しているのが分かります。

jun@raspberrypi ~/pico/pico-examples/build/hello_world/serial $ ls -lt
total 1124
-rw-r--r-- 1 jun jun  50688 Feb 10 01:18 hello_serial.uf2
-rw-r--r-- 1 jun jun 384039 Feb 10 01:18 hello_serial.dis
-rwxr-xr-x 1 jun jun  25120 Feb 10 01:18 hello_serial.bin
-rw-r--r-- 1 jun jun  70727 Feb 10 01:18 hello_serial.hex
-rwxr-xr-x 1 jun jun 396136 Feb 10 01:18 hello_serial.elf
-rw-r--r-- 1 jun jun 223313 Feb 10 01:18 hello_serial.elf.map
drwxr-xr-x 3 jun jun   4096 Feb 10 01:17 CMakeFiles
-rw-r--r-- 1 jun jun  81567 Feb 10 01:17 Makefile
-rw-r--r-- 1 jun jun   1002 Feb 10 01:17 cmake_install.cmake

~/pico/pico-examples/build/hello_world/serial にある hello_serial.uf2 を Raspberry Pi Pico に書き込みます。 BOOTSELボタンを押しながら、USBケーブルを接続して電源を入れたときに現れるドライブにコピーするだけです。 自動的に hello_serial.uf2 が実行されます。

母艦の Linux で以下のようなコマンドを実行すると Raspberry Pi Pico が「Hello, world!」を出力している様子が確認できます。cu コマンドがインストールされていない場合は「sudo apt install cu」でインストールできます。

$ sudo chmod 777 /dev/ttyACM0
$ cu --line /dev/ttyACM0 --speed 115200
Connected.
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!

cu を終了するためには「~.」を入力します。


hello_usb.uf2

hello_usb.uf2 を使うと、USBケーブルをシリアル通信に使用する事ができます。 この場合はシリアル通信アダプタは不要です。

 ~/pico/pico-examples/build/hello_world/usb $ ls -lt
total 1596
-rw-r--r-- 1 jun jun  73728 Feb 10 01:18 hello_usb.uf2
-rw-r--r-- 1 jun jun 579500 Feb 10 01:18 hello_usb.dis
-rwxr-xr-x 1 jun jun  36660 Feb 10 01:18 hello_usb.bin
-rw-r--r-- 1 jun jun 103167 Feb 10 01:18 hello_usb.hex
-rw-r--r-- 1 jun jun 285133 Feb 10 01:18 hello_usb.elf.map
-rwxr-xr-x 1 jun jun 508796 Feb 10 01:18 hello_usb.elf
drwxr-xr-x 3 jun jun   4096 Feb 10 01:17 CMakeFiles
-rw-r--r-- 1 jun jun 115822 Feb 10 01:17 Makefile
-rw-r--r-- 1 jun jun    999 Feb 10 01:17 cmake_install.cmake
$ sudo chmod 777 /dev/ttyUSB0 
$ cu --line /dev/ttyUSB0 --speed 115200
Connected.
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!
Hello, world!

Cで作成されたサンプルソースのビルドが、Raspberry Pi4B を使うと簡単にできることが分かりましたが、うらで cmake が大量の作業をしている事がわかります。 Raspberry Pi Pico の征服は遠い道のようです。

続く...



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