ＴＴＬでＣＰＵを作ろう！

~~標準ＴＴＬ~~だけ（！）でCPUをつくろう！（組立てキットです！）
(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第５０２回］

●ＵＳＢのためのＣＰＵクロック

前回はＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０を使うことを前提にして、そうするとＩ／Ｏの数が不足してしまいますから、ＣＰＵとの間でのパラレル伝送を現行の８ビットから４ビットに変更するようにプログラムを変更して、とりあえずはまだＰＩＣ１８Ｆ２５５０のままなのですが、その動作テストがうまくいきました、というところまで書きました。

昨年１０月からおよそ半年をかけて、やっとＰＩＣ１８Ｆ２５５０でＵＳＢ（ＨＩＤ）の送受信に成功するところまできたことでもありますし、スタートしたときはＰＩＣ１８Ｆ４５５０だったのですがＰＩＣ１８Ｆ４５５０からＰＩＣ１８Ｆ２５５０へはほとんど変更らしい変更もなくすんなりできたのですけれど、ここからさらに、ＰＩＣ１８Ｆ２５５０からＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０への変更を行うことにつきましては、いささか気が重かったのですねえ。

もともとＰＩＣをナニするということが本来の目的ではなかったわけですし、あんなこんなで予想だにしなかった泥沼につぐ泥沼に手足を取られていささかうんざりしてしまいましたから、もうこの辺でいいじゃないの、という気分になってきておりました。
そういう精神状態でありますから、なんとなく気が乗らなかったわけですけれど、半分はいやいやながらも、こうやって４ビットでのデータ伝送もできてしまいますと、せっかくここまできたのに、ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０に全然タッチしないままで済ます、というのもちょいと惜しい、などという別の気の迷いも出て来てしまいます。

ＰＩＣ１８Ｆ２５５０に比べますと、ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０は、第一印象としては、なんだかちょいとムリをしているような感じで、使うのにもなかなか骨が折れそう、といったところが気にはなりました。
で、まあ、とりあえず、ちょいとさわってみて、あまり納得がいかないようでしたら、やっぱりＰＩＣ１８Ｆ２５５０を使うことにして、基板配線を工夫してなんとか２８ｐｉｎを乗せられるように考えることにいたしましょう。

すでに説明しましたようにＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０はＵＳＢメモリのアドレスと、そのメモリサイズがＰＩＣ１８Ｆ２５５０とは全く異なっています。
しかしそれにつきましては、いうなれば機械的な変更作業でクリアできるはず、なのですから、当初からあまり問題視はしておりませんでした。

しかしながら、ＣＰＵクロック。
これはちょいと問題だなあ。
というわけで、まずは、そのあたりから、そろりそろりと首をつっこむことにいたしました。
まだいきなりＵＳＢの本拠地には突入などいたしません。

とはいえ、もちろん、ＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０を使ってＵＳＢをナニすることが目的ですから、そこのところをふまえた上で、まずはＣＰＵクロックの説明から取りかかることにいたしまします。

ＵＳＢを使わない、ということでしたなら、いまさらＰＩＣのクロックについてどうこう言うことはない、でありましょう。
それは１８Ｆであっても、１６Ｆであっても似たようなものなのです。
適当な値のクリスタルを外付けするだけで、簡単に動作してくれますし、クリスタルを外付けしなくても、内蔵の発振回路を使って自前でＣＰＵクロックを供給してくれるものも多くなりました。
しかし、ＵＳＢを使う、ということになりますと、今までのＰＩＣとはいきなり様子が異なってきてしまいます。

ＰＩＣ１８Ｆ２５５０については、［第４８５回］から［第４９０回］で簡単なプログラムについての説明をいたしました。
そこでは、ＵＳＢを使わない、ごく普通のプログラムをＰＩＣ１８Ｆ２５５０に書いての動作テストをしました。
［第４８５回］のテストでは外付けのクリスタルも不要な内部発振回路によるクロックを使いました。

内部発振回路とはいっても、なんと８ＭＨｚまでのクロックが選択でき、クロックの精度も通常の使用には差し支えない程度の精度はありますから、これはなかなかに便利です。
ということで、とりあえずの動作テストとしては、その内部発振回路によるクロックでよかったのですけれど、ＵＳＢを使おうとしますと、残念ながらこのクロックでは動作させることができません。

ＰＩＣ１８Ｆ２５５０でＵＳＢプログラムを実行させるためには、４８ＭＨｚのクロックが必要になります（Ｆｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄモード）。
ＣＰＵそのものの動作としては４８ＭＨｚものクロックは必要ないのですが、ＰＩＣ１８Ｆ２５５０に内蔵されているＵＳＢロジック回路には、４８ＭＨｚが必要なのです。

ＵＳＢ信号は１２ＭＨｚです（Ｆｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄモード）から、その４倍の周波数ということになります。
ＰＩＣはＣＰＵクロックの４クロックが１マシンサイクルになっています。
ＰＩＣ１８Ｆ２５５０に内蔵されているＵＳＢロジック回路もＰＩＣＣＰＵと良く似たアーキテクチャで作られているのかも知れません。

それはともかくとして、１２ＭＨｚならばなんとかなりますが、４８ＭＨｚとなると、これは普通のＴＴＬなどのはるかに及ばない高い周波数です。
このような高い周波数のクロックを外部から供給するとなると、もうのっけから敷居が高くなってしまいます。

幸いＰＩＣ１８Ｆ２５５０のクロック回路にはＰＬＬ回路が内蔵されていて、低い周波数を供給しても、そこから４８ＭＨｚを作り出してくれます。

そのあたりの設定はｃｏｎｆｉｇワードで設定することになります。

●ＰＩＣ１８Ｆ２５５０のＵＳＢのためのクロックの設定（ＤａｔａＳｈｅｅｔから）

ＰＩＣ１８Ｆ２５５０のＤａｔａ　Ｓｈｅｅｔで、その説明を見てみることにいたしましょう。

［出典］Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ社ＰＩＣ１８Ｆ２４５５／２５５０／４４５０／４５５０ＤａｔａＳｈｅｅｔ

普通のＰＩＣと違って、ＵＳＢを扱うためには、ＣＰＵクロックのほかに、ＵＳＢのＬｏｗ　Ｓｐｅｅｄモード（６ＭＨｚ）とＦｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄモード（１２ＭＨｚ）の両方のクロックが必要になってきます。
ＰＩＣ１８Ｆ２４５５／２５５０／４４５０／４５５０は（いちいちこのように書くのは面倒ですから、以下はＰＩＣ１８Ｆ２５５０とだけ書くことにしてしまいます）、ＵＳＢのＦｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄモードに対応するために、４８ＭＨｚのクロック回路を用意している、てなことが書いてあります。
ＰＩＣ１８Ｆ２５５０には１２種の異なるクロックモードがあって、う？ｔｗｅｌｖｅ？
でも１から１０までしか書いてありません。２つ足りないじゃないの。
ここらあたりがＭｉｃｒｏｃｈｉｐのＤａｔａＳｈｅｅｔのチャランポランなところで、そもそもＤａｔａＳｈｅｅｔに書いてある表現のままＣｏｎｆｉｇに書いてもたいていはエラーになってしまうのですよねえ。
このＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ　Ｔｙｐｅに関して言えば、Ｃｏｎｆｉｇにそのまま書いて通るのは”ＨＳ”だけです。

ちなみにインクルードファイルＰ１８ｆ２５５０．ｉｎｃを覗いてみますと。

;   Oscillator Selection bits:
;     FOSC = XT_XT         XT oscillator, XT used by USB
;     FOSC = XTPLL_XT      XT oscillator, PLL enabled, XT used by USB
;     FOSC = ECIO_EC       External clock, port function on RA6, EC used by USB
;     FOSC = EC_EC         External clock, CLKOUT on RA6, EC used by USB
;     FOSC = ECPLLIO_EC    External clock, PLL enabled, port function on RA6, EC used by USB
;     FOSC = ECPLL_EC      External clock, PLL enabled, CLKOUT on RA6, EC used by USB
;     FOSC = INTOSCIO_EC   Internal oscillator, port function on RA6, EC used by USB
;     FOSC = INTOSC_EC     Internal oscillator, CLKOUT on RA6, EC used by USB
;     FOSC = INTOSC_XT     Internal oscillator, XT used by USB
;     FOSC = INTOSC_HS     Internal oscillator, HS used by USB
;     FOSC = HS            HS oscillator, HS used by USB
;     FOSC = HSPLL_HS      HS oscillator, PLL enabled, HS used by USB
;

おお。ちゃんと１２通りありました。
Ｐ１８ｆ２５５０．ｉｎｃは、ＭＰＬＡＢをインストールしたときにできるＭＰＡＳＭ　Ｓｕｉｔｅフォルダにあります。

ＰＩＣ１８Ｆ２５５０ではＵＳＢを使わない場合でも、上のいずれかのモードを設定する必要があります。
そこに書いてありますように、内蔵発振モード（Ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）を選択した場合には、それをそのままＵＳＢソースクロックとして使うことはできません。
内蔵発振モードを選択しておいて、ＵＳＢを使うためには、外部からＵＳＢ用にクロックを供給する（ＥＣ）か、クリスタルを外付け（ＸＴ、ＨＳ）しなければなりません。
そんな面倒なことをわざわざしますか、ねえ。

ということなので、ＵＳＢを使う場合には、外部からクロックを供給するか、クリスタルを外付けするか、のいずれかとなります。

もしもＵＳＢを使わない、ということでしたなら、そして外部からクロックを供給するか、クリスタルを外付けするということでしたなら、Ｃｏｎｆｉｇには上の中のＥＣ、ＸＴ、ＨＳを含む記述のいずれかを記載するだけで動作してくれます（本当はＣＰＵＤＩＶの設定が必要ですけれど）。
また同様にして、ＵＳＢを使わないで内蔵発振モードを使う場合には、ＩＮＴＯＳＣを含む記述のいずれかをＣｏｎｆｉｇに書いた上で、プログラムの中で、ＯＳＣＣＯＮレジスタに周波数パラメータを設定するだけで動作してくれます（［第４９０回］のプログラムリスト参照）。

しかし、ＵＳＢを使うためには、それだけでは足りません。
外部入力クロック、あるいは外付けするクリスタルの周波数によって、さらなるＣｏｎｆｉｇの設定が必要です。

［出典］Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ社ＰＩＣ１８Ｆ２４５５／２５５０／４４５０／４５５０ＤａｔａＳｈｅｅｔ

ＴＡＢＬＥ２－３が外部入力クロックまたは外付けクリスタルの周波数とＣｏｎｆｉｇの設定値を説明している表なのですが、これを見ただけでは、なんじゃこりゃあ、という感じです。
あ。この表はもう１ページ前の部分がありますが、ここでは省略してあります。
左のマスが入力周波数です。
省略した表は、４８ＭＨｚと２４ＭＨｚです。

最初私はこの表の意味するところが全く理解できませんでした。
ＵＳＢ（Ｆｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄモード）は４８ＭＨｚが必要らしいということはわかりましたから、この表の右端の４８ＭＨｚに該当する設定を選択しておりました。
たとえば４ＭＨｚのクリスタルを外付けした場合には、ＰＬＬＤＩＶ＝’０００’、ＦＯＳＣ＝ＸＴＰＬＬ、ＣＰＵＤＩＶ＝’００’です。
これはとんでもない勘違いでしたが、むむ、説明が悪いのだ。

まあそれでもＣＰＵは動くのですけれど、ＵＳＢのためにはこのほかにＵＳＢＤＩＶというものも設定が必要です。
毎度のことなのですけれど、ＭｉｃｒｏｃｈｉｐのＤａｔａＳｈｅｅｔはぎっしりてんこもりでボリュームはすごいものなのですけれど、それでいて肝心のことが書いてなかったり、どこを読めばよいのかさっぱりわからなかったり、ということがよくあって、いらいらさせられてしまいます。

表の下部のＬｅｇｅｎｄも、あんた、いったい、何を言ってるの？という感じでいまいちよくわかりません。

実は、この表の前にある説明文と、さらにその数ページ前にある図（ＦＩＧ２－１）をよーく眺めておりましたら、やっと意味がわかってきました。

［出典］Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ社ＰＩＣ１８Ｆ２４５５／２５５０／４４５０／４５５０ＤａｔａＳｈｅｅｔ

［出典］Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ社ＰＩＣ１８Ｆ２４５５／２５５０／４４５０／４５５０ＤａｔａＳｈｅｅｔ

ここではＵＳＢのＬｏｗ　Ｓｐｅｅｄモード（６ＭＨｚ）とＦｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄモード（１２ＭＨｚ）を分けて考える必要があります。
そこが理解できないと、表の意味がわかりません。
表の下部のＬｅｇｅｎｄはそのことを言っていたのです。
う？
ＬＥＧＥＮＤ？
Ｉ　ＡＭ　ＬＥＧＥＮＤ？？？？？
伝説う？まさかねえ…。
Ｗｅｂの辞書の訳では伝説しか出てきませんでした。
ＣＯＮＣＩＳＥで引いてみましたら、図表の説明、凡例という意味もありました。納得。

図（ＦＩＧ２－１）を見ましたら、ＰＩＣ１８Ｆ２５５０のＵＳＢクロック供給回路にはシカケがあることがわかりました。
まずはＦｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄ（１２ＭＨｚ）について、です。
外部または水晶発振から得られる周波数は最初のＰＬＬ　Ｐｒｅｓｃａｌｅｒによって分周されて４ＭＨｚになります（４ＭＨｚにしなければなりません）。
その４ＭＨｚはＰＬＬ回路によって９６ＭＨｚにアップされます（すごい！）。
そしてそれが２分周されてＵＳＢのための４８ＭＨｚになります。
一方、ＣＰＵに対しては、その９６ＭＨｚがＰＬＬ　Ｐｏｓｔｓｃａｌｅｒによって分周されて１６、２４、３２、４８ＭＨｚのいずれかの周波数として供給されます。
つまり入力されるもとのクロック周波数に対応するＰＬＬプリスケーラの値を指定することのみによって必ず４８ＭＨｚが供給されます。
ＵＳＢ（Ｆｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄモード）に対してはそれ以外の選択はありません。
そして同じソースを使う限り、ＣＰＵのクロックもまた、１６、２４、３２、４８ＭＨｚのいずれかに限定されます。

次に、Ｌｏｗ　Ｓｐｅｅｄ（６ＭＨｚ）について。
上の説明によりますと、Ｌｏｗ　Ｓｐｅｅｄモードに対してはシステムクロックを４分周した６ＭＨｚを供給する。と書いてあります。
Ｆｕｌｌ　ＳｐｅｅｄモードではＣＰＵクロックは１６、２４、３２、４８ＭＨｚのいずれを選択してもよかったのですが、Ｌｏｗ　ＳｐｅｅｄモードではＣＰＵクロックは２４ＭＨｚに限定されます。
図（ＦＩＧ２－１）で見ると、ＦＳＥＮ＝０で選択されるフローが、Ｌｏｗ　Ｓｐｅｅｄモードのようです。

ところが。
ＰＩＣ１８Ｆ２５５０のＣｏｎｆｉｇには、ＦＳＥＮビットなんて無いのです。
どうなっているのでしょう。
これじゃＬｏｗ　Ｓｐｅｅｄモードは使えませんですよねえ。
ま、私としては、Ｆｕｌｌ　Ｓｐｅｅｄモードが使えればそれでよろしいのですけれど。

Ｃｏｎｆｉｇの設定に必要なパラメータで、さきほどお見せしましたＦＯＳＣ以外のものを、またＰ１８ｆ２５５０．ｉｎｃから拾い出してみました。

;
;   PLL Prescaler Selection bits:
;     PLLDIV = 1           No prescale (4 MHz oscillator input drives PLL directly)
;     PLLDIV = 2           Divide by 2 (8 MHz oscillator input)
;     PLLDIV = 3           Divide by 3 (12 MHz oscillator input)
;     PLLDIV = 4           Divide by 4 (16 MHz oscillator input)
;     PLLDIV = 5           Divide by 5 (20 MHz oscillator input)
;     PLLDIV = 6           Divide by 6 (24 MHz oscillator input)
;     PLLDIV = 10          Divide by 10 (40 MHz oscillator input)
;     PLLDIV = 12          Divide by 12 (48 MHz oscillator input)
;
;   CPU System Clock Postscaler:
;     CPUDIV = OSC1_PLL2   [OSC1/OSC2 Src: /1][96 MHz PLL Src: /2]
;     CPUDIV = OSC2_PLL3   [OSC1/OSC2 Src: /2][96 MHz PLL Src: /3]
;     CPUDIV = OSC3_PLL4   [OSC1/OSC2 Src: /3][96 MHz PLL Src: /4]
;     CPUDIV = OSC4_PLL6   [OSC1/OSC2 Src: /4][96 MHz PLL Src: /6]
;
;   USB Clock Selection bit (used in Full Speed USB mode only; UCFG:FSEN = 1):
;     USBDIV = 1           USB clock source comes directly from the primary oscillator block with no postscale
;     USBDIV = 2           USB clock source comes from the 96 MHz PLL divided by 2
;

●ＰＩＣ１８Ｆ２５５０のテストプログラム

以上を整理したうえで、また簡単なテストプログラム書いてみました。
［第４８６回］のプログラム（［第４９０回］で少し手直し）と同じものですが、Ｃｏｎｆｉｇの設定を変更してあります。
前回は内部発振クロックの８ＭＨｚを使いました。
今回は４ＭＨｚクリスタルを外につけて、ＣＰＵクロックは４８ＭＨｚを指定しました。
もとのプログラムでは外部ＭＣＬＲをＯＦＦにしましたが、それはＰＩＮ数の少ないＰＩＣ１８Ｆ１４Ｋ５０の使用を考えたためでした。
しかしそれだけではどの道足りないことがわかってＣＰＵとの間のデータ伝送を４ビットに変更することにしたことと、その後のいろいろなテストの過程でやはり外部からリセットをかける必要が出てきたことから、今回のテストではＭＣＬＲ端子には外部プルアップ抵抗をつけて、ごく一般的な回路として使用することにしました。
そのため、前回のプログラムではＣｏｎｆｉｇで指定していたＭＣＬＲＥ＝ＯＦＦは外しました。

;;;pic p18f2550 test program
;f2550test3
;4/25 5/18
;
	#include<p18f2550.inc>
;
;cpuclock=48MHz 4MHz crystal
;
	CONFIG PLLDIV=1,USBDIV=2,CPUDIV=OSC1_PLL2,FOSC = XTPLL_XT,WDT=OFF,LVP=OFF          
;
	org 00
st0
	movlw 0f
	movwf ADCON1;porta,b,e are digital
	movlw 0;porta-c are output
	movwf TRISA
	movwf TRISB
	movwf TRISC
;
	movlw 1
loop
	xorwf PORTA
	goto loop
;
	end

今回のテストに使った基板です。

［第４８６回］の基板に４ＭＨｚクリスタルとプルアップ抵抗を追加してあります。

こちらは基板の裏側です。

プログラムを実行中のＲＡ０からの出力波形です。

［第４８６回］の波形と比べてみてください。
ＰＯＲＴＡのビット０は３マシンクロックごとに１と０が反転して出力されます。
外付けしたクリスタルは４ＭＨｚですがＰＬＬ回路によって、ＣＰＵクロックは４８ＭＨｚになっているはずです。
ということは１クロックが１／４８μｓｅｃということです。
ＰＩＣの１マシンクロックは４ＣＰＵクロックですから、１／１２μｓｅｃです。
そしてその３マシンクロックは、１／４μｓｅｃになります。
２５０ｎｓｅｃです。
おお。間違いなく４８ＭＨｚで動作しています。
正直言って、これはすごい。ちょいと感動、です。
２０１０．５．１９ｕｐｌｏａｄ

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