CPU

CPU(MPU)には、スタンバイだとかスリープという機能があります。

言葉だけでもなんとなく、

「省電力の機能かな？」

と想像つくかもしれませんが、詳細はよくわからないという人が多いと思います。

まず、組み込みCPUもパワフルなCPUもそれなりに省電力の機能があります。

そして、それが特徴になっているCPUがあるくらいに、バリエーションが有ります。

「CPUを完全に止めて周辺機器だけ動かせます！」

「CPUも周辺機器も止めて、時計機能だけで動かして、一定間隔でCPUを起こすことが出来ます」

ぐらいは基本なので大抵のCPUができます。

変わったものになってくると、

「タッチセンサー機能だけを動かして、タッチセンサーを検知したらCPUを起こすことが出来ます」

「アナログ入力でCPUを起こすことが出来ます」

「電波で（ｒｙ）

みたいなものもあったりします。

すべてのCPUの説明なんてできないので、どのCPUでも大抵サポートしている機能について説明します。

・周辺機器の有効・無効

たとえば、音声の出力機能などの機能がついているとしても、それを有効・無効を切り替えられるのが普通です。

無効にすることでそのぶんの電力を節約できます。

大抵のCPU（MPU)内蔵周辺機器は無効にして電力節約できるものです。

・クロックの変更

水晶振動子などで生成したクロックをCPU内で倍率をかけて使用しています。

なので、倍率を変更することでCPUの速度を低速にすることが出来ます。

電力は速度（クロック数）に比例するので、これで簡単に電力落とせます。

・スリープ（SLEEP)

CPUのクロックを完全に止めてしまうので、CPUが完全に動作停止します。

外部からの割り込みか、内蔵周辺機器からの割り込み（時計機能など）で復帰します。

メモリは保持されます。

・スタンバイ（STANDBY)

CPUのクロックを完全に止めた上に、メモリ・レジスタまで全部消えます。

通電しているものの、ほとんど電源OFFと大差ない状態になります。

究極の省電力ですが、復帰後にプログラムを一から走らせないと駄目なので即座に復帰することが出来ません。

これぐらいを把握しておいて、あとはCPUごとのデータシートを参照するとだいたい分かるかと思います。

以上、小田切でした。

いままで説明で「GPIO」という言葉を普通に使っていましたが、初心者だと

「そもそもGPIOってなに？」

だと思いますので、今回簡単に説明したいと思います。

GPIO＝General Purpose Input/Output

汎用のインプット・アウトプットです。

CPUには電源ピンやJTAG用・専用機能のための特殊ピンも多いですが、それ以外のほとんどはこのGPIO用のピンとなっています。

CPUのほとんどのピンがGPIOということからも、このGPIOが如何に重要なものかと分かるかと思います。

このGPIOは何ができるのでしょうか。

まず、入力と出力の機能があって、その機能は切り替え式です。

出力機能：

HIGH（ほぼ電源電圧)を出す。

LOW(ほぼ0V)を出す。

入力機能：

入ってきている電圧がHIGH/LOWのどちらかを判別する。

これだけです。

「これだけでなにができるんだ？？」

と思うかもしれませんが、実はこれでなんでもできるんです。

出力にしてそのさきにLEDをつなげれば、LEDを点灯・消灯できます。

出力にしてそのさきにトランジスタなどをつなげれば、大電力が必要なモーターもコントロールできます。

もっといえば、高度な機能がないIC類、例えばモータードライバだとか電源ICなんていうのは、そのICのピンをHIGHにするかLOWにするかだけで動作ON・OFFが切り替わりますので、このGPIOだけで制御できてしまうわけです。

そういったICは状態出力もHIGH・LOWだけなので、それを入力モードにしたGPIOで受ければCPUで状態を判定できるわけです。

デジタル出力のセンサーとかも入力モードのGPIOで受ければいいわけです。

基本的にはデジタル回路はHIGH・LOWだけなので、実はこのGPIOだけで（原理的には）すべての事ができるんです。

ただし、GPIOでも（原理的にはできるけど）実際にやろうとすると難しいこともあります。

例えば、通信です。

UARTやSPIやI2Cなどの通信プロトコルは、CPUにその周辺機器が乗っていれば「◯◯のデータを送ってね」というだけで、周辺機器が勝手にデータを送ってくれて、送信が終わったら「送信終わったよ」と周辺機器が教えてきてくれます。

しかし、これをGPIOでやると、プログラムで全部操作しないといけないので、

「クロックのポートをHIGH出力にして、データ送信のポートをnbit目の状態にして、そして？us待ってからまたくクロックのポートをLOW出力にして・・・」

ということを全部やらないといけません。

これをやると、無理矢理なので遅い・CPUが他のことが出来ないという問題があるので、普通はこんなことはやりません。

（世の中にはGPIOで通信機能を実現しているものもないことはないです。特殊例ですが）

とまぁ、原理的にはデジタル系のことはなんでもできますが、唯一通信機能は苦手ということです。

逆に言うと、それ以外はほとんどなんでもできるので、これがないとなにもできません。

以上、小田切でした。

CPUにはいろんな用語が頻出します。

その中でもパット見わかりにくい単語「POR」。

これなんでしょう。

これは

Power  On Reset

の略語です。

読んで字のごとく、「電源ONリセット」です。

これの説明の前に、リセットの説明をしないといけません。

CPUをリセットするとすべてのレジスタに初期値が代入され、いつでも同じ状態になります。

つまり、いつどんな時でもリセットすれば「初期状態」になるわけです。

この機構があるからプログラムが正常に動作するのです。

毎回状態が変わっていたらプログラムの動作状況が変わってしまいます。

そのため、CPUの動作を開始する前には必ずリセットを掛けないといけません。

で、そのリセットをかけるためにはリセットピンを制御しないといけません。

通常、リセットピンはLにすることでリセットがかかりますので「電源を入れた後にリセットピンをLにして、しばらくしてからHにする」という動作が必要になります。

つまり、CPUとは別にリセットピンを制御するための機構が必要になります。

これはコンデンサや抵抗・ロジックICなどを組み合わせて作ることも出来ますし、専用のICを使うことも出来ます。

……でも、面倒だし、余計な部品が必要でコストも掛かるのでいやなんです。

ということで、最近のCPU（MPU)には、たいていPower On Resetという、電源がONになったら自分でリセットしてくれる便利な機能が入っています。

これですと、上記の回路が不要になるので楽なんです。

ただし、「POR」がないCPU（MPU)も世の中にはあります。

ということで、データシートを見るときにはPORをチェックしましょう。

ないと……ちょっと面倒ですよ。

以上、小田切でした。

CPUのデータシートを見ていると、

「2 x ADC」とか「3 x UART」とか書いてあります。

これはわかりやすいですね。

「ADコンバータが一個載っています」

「UART通信用の周辺回路が３個載っています」

これは困らないんです。

紛らわしいのは、「ADC 6 channel」とか書いてあるものです。

「え、6 x ADCと同じじゃないの？」

そう思った方、それが違うんです。

CPUのデータシートの慣例として、

「2 x ADC」と書いてあれば、その回路が二つ内蔵されているという意味になります。

こう書いてある場合、ADCの回路が二つあるわけですから、二つのアナログ入力を同時に監視できるわけです。（特別な制約がない場合。CPUは結構例外多いので油断できません）

では「ADC 6 chennel」と書いて有る場合、ICの中身はどうなっているでしょうか。

ADCに数が書いてありませんので、恐らくADCの回路は一つしか入っていません。

ADCの回路が一つしか無いのに「6チャンネル」とはこれ如何に。

これは、入り口が６個あるということです。

つまり、CPUのピンのうち６個をADC入力として使えるということです。

どのポートを中身のADCに接続するかをソフトウェアから指示して初めて使えるわけです。

６個のアナログ入力ピンにそれぞれアナログを入力できますが、ADC回路が一つしか無いので同時に一つしか見ることが出来ないのです。

高速でチャンネルを切り替えていけば、ほぼリアルタイムで見ることができるかもしれませんが、CPUが非常に忙しくなってしまいますし、それでは最高速度で監視ができません。

ということで、常に見張っていないといけない高速なアナログ値が複数ある場合はこれは困るということです。

でも時々見ればいいアナログ値（例えば電池電圧）であればこれで十分なわけです。

以上、小田切でした。

CPUのデータシートに「キャッシュ」ってあります。

これ、気にしないといけないのでしょうか。

答え：基本的に無視でOK

キャッシュというのは、簡単に言うと超高速メモリです。

RAMからデータを読む時、こういう動きになります。

１回目の読み込み：RAM→キャッシュ→CPUの演算部

２回目の読み込み：キャッシュ→CPUの演算部（超高速）

キャッシュはRAMより速いので、上の動きになることで２回目以降の読み込みが高速になるのです。

（書き込みにも使用されるので、書き込みも早くなります）

だいたい重い計算のときは同じアドレスのメモリを何度も参照しますから、

このキャッシュがあることでメモリアクセスが劇的に早くなるわけです。

そして、このキャッシュは基本的に自動で処理されます。

CPUの中で勝手にキャッシュメモリに格納して、使わなくなったら古いものから上書きします。

結構高度な機能ですが、利用者から完全に隠蔽されています。

ということで、原理的にはキャッシュが大きいほど処理が早くなるわけですが、

「キャッシュが足りなくて速度が出ない」と問題になることは普通ありません。

それに、キャッシュメモリが大きくても小さくて利用者からは見えないので関係ありません。

「へぇ、このCPUのキャッシュメモリは8kBか。小さいCPUの割に大きいな」

ぐらいの感想でそのままスルーしてしまって普通は問題ありません。

以上、小田切でした。

CPUのデータシートを見ると、例えば

「最大周波数40MHz」とか書いてあります。

しかし、その後読んでいくと実際に繋げる水晶振動子は20MHzと書いてあったりします。

さらに、読んでいくと32kHzの水晶振動子の話が出てきて、

さらに読んでいくと内蔵低速オシレータだのなのだの、セラミック発振子、LC発振器だの「クロック」に関することが山のように出てきて、はっきりいってわけわからめ！

なにこれ！？

ってなことで、クロックに関してざっくりしたことを説明したいと思います。

まず、クロック（周波数）というのは内部の回路を動かすための速度です。

１クロックごとに回路の状態が変化していきますので、40MHzであれば、秒間4000万回状態が変化するわけです。

あらためて数字にすると結構凄いですね。わずか１００円程度のCPUであってもこれだけの速度で動きますから。

さて、で、このクロックというのをどうやって作っているかというのが、まず複数あります。

・水晶振動子

→水晶振動子をCPUに取り付けると、CPUが水晶振動子を駆動してクロックを作る

・外部クロック供給

→他の部品でクロックを作ってCPUに入れる

・セラミック発振子

→水晶振動子に似た安い部品。精度悪い。

・内蔵発振器

→CPU内臓のクロック生成機能。追加部品いらないので安いが、だいたい精度最悪。

普通は水晶振動子でクロックを作ります。

数十円のお値段で精度が一番いいので、無難です。

内蔵発振器は一番お安いですが、精度が悪いので問題が出る時があります。

（通信速度がずれてしまうので通信の時に問題が出るなど）

そしてクロックを作った後に、このクロックを掛け算したり割ったりして内部クロックを作ります。

たとえば、20MHzを２倍して４０MHzです。

こういう機構があるので、CPUの動作速度と水晶振動子の動作速度は違うのです。

これで全体はなんとなくわかったかと思います。

そして、おまけとして「低速クロック」というのがあります。

これは32kHzの水晶振動子か内蔵発振器で作ります。

これは、物凄く低速で動く機器（32kHz程度の処理速度でいい機器）か、時計の駆動に使います。

CPUの処理を止めておいて（スリープ・スタンバイ）、時間だけカウントするという事ができるのですが、その際に使用します。

これはオプションなので、CPUは常に高速で動き続け、CPUと止めて時間を計測する必要がなければ、低速クロックは不要です。

こんな風になっているので、ぱっと見るといろいろあってわけわからなくなりやすいのです。

以上、小田切でした。

８ビットCPU、１６ビットCPU、３２ビットCPU、６４ビットCPUの４パターンが有ります。

極稀に４ビットCPUなんてのもありますが、特殊なので割愛。

これは一体何なんなんだ！

はい、中で扱えるデータ幅です！

……と言ってもわかりませんよね。

そして、そんなことはあまり重要ではありません。

簡単に言うと、

ビット数が小さいと回路が小さいので、

・CPUの価格が安い

・計算が遅い

・扱えるメモリが小さい

・省電力

そして、ビット数が大きいと回路がでかいので、

・CPUの価格が高い

・計算が速い

・扱えるメモリが大きい

・電気をたくさん使う

ってことです。

細かいことを書いても初心者の方には難しいので、ここには書きません。

↓こんなイメージです。例外はたくさんあるので、だいたいの話です。

スマホ・PC・据え置きゲーム機など：64ビットCPU

ルーター・組み込みCPUボードなど：３２ビットCPU

それ以下の製品：８ビットCPU・１６ビットCPU

その機器に必要な能力・価格・消費電力のバランスを見て選ぶことになります。

これには正解がなくて、経験やリサーチをしなければ答えを出すことは出来ません。

以上、小田切でした。

CPUなどを見ていると「JTAG」という用語がよく出てきます。

JTAGってなんでしょうか。

元々は接触をチェックするための機能でしたが……いろいろ経緯をかいても意味が無いので省略します。

ずばり、プログラムの書き込みに使うインターフェースです。

JTAGというのはだいたい

・TCK（CLOCK)

・TDI

・TDO

・TMS

・TRST

・RST

の６個の信号で実現されています。

つまり、デバッガーと呼ばれるプログラム書き込みできる装置とCPUの６ピンを接続すればプログラムが書き込めるわけです。

しかし、最近は小型なCPUも多いので、６ピンも使ったらもったいない！　ということで、２ピンの接続だけですむタイプもあったりします。

とにかく、JTAG=プログラム書き込みI/Fと思って下さい。

そして、これは各社バラバラです。

使うピン数も違えば、流れている信号も違うし、使えるデバッガーも全部違う。

ということで、「JTAG」といっても全部違うので、結局CPUごとに全部調べ直す必要があります。

（え、このCPUはこうやってデバッガーと繋げないといけないの！？　というトリッキーなものもあります）

ということで、JTAGはプログラム書き込みI/Fのことを言っていると理解した上で、実際にどうやってデッバガーと接続するかはよく調べるようにしましょう。

以上、小田切でした。