趣味の電子工作とプログラミング

　解像度が高く、色数も多いグラフィック出力を実現するには、大容量のメモリを必要とします。以前、SRAMを外付けして240×224ドット、15ビット色出力の実験を行いました。画質については満足したのですが、やはり外付けのSRAMを使うとなると製作が大変で、またPICからのアクセスも面倒なため、手軽に使えるというものではありませんでした。
　PICで内蔵SRAM容量がもっと大きいものはないかと調べたところ、新シリーズのPIC32MZは別にして、PIC32MXの場合、最大容量は128Kバイトのようです。そこで128KバイトのSRAMを搭載したPICの1つであるPIC32MX695F512Hを入手し、どの程度使えるか実験してみました。

　今回はシステムクロックをカラーサブキャリア周波数の20倍としたので、各信号のタイミングは下図のようになります。

　これまでPIC32MXシリーズで何度もカラーコンポジット信号を生成するプログラムを作成してきましたので、大まかにはこれまで同様になっています。
　しかし、これまで使ったPIC32MXシリーズは少ピンの1xx/2xx番台で、今回初めてPIC32MXシリーズ本来の性能を発揮するものを使うことになりました。少ピンPIC32との大きな違いは、システムクロック80MHz、つまり80MIPSへの対応と、そのためのキャッシュ機能にあります。PICのプログラムは通常内蔵フラッシュメモリに書き込まれたものを実行しますが、フラッシュのアクセス速度は遅く、クロックが上がるとウェイトが必要となり、思い通りの実行速度が出せなくなります。それを克服するために、フラッシュからコードを先読みして一時的に蓄え、順次実行させるプリフェッチキャッシュ機能が搭載されています。しかし、このキャッシュ機能は完璧ではありません。プログラムのジャンプや分岐があると、新たにキャッシュへの読み込みを行うため、ウェイトが発生します。
　カラーコンポジット信号をプログラムで生成する場合、実行が1クロックでもずれると正しい色が出なくなります。同期信号や映像信号の生成はタイマー割り込みでタイミングを図りますが、そのとき実行中の命令やアイドル状態などにより、割り込み発生から最初の命令実行までのタイミングにばらつきが発生します。そこで、これまでの映像出力実験では割り込み発生後にタイマー値を読み込み、ばらつきを補正するプログラムを組み込んでいました。このときジャンプ命令を使用していたのですが、今回はおそらくこのジャンプ命令実行時に発生するウェイトの影響で、どうしても1クロック程度のばらつきを補正することができず、応用プログラムやコンパイルの条件を変更すると、色のずれが発生することがありました。
　色のずれは、カラーバースト信号の位相のタイミングと映像信号のタイミングのずれにより発生します。そのため、今回はカラーバースト信号生成から映像信号の終了まで、一切ジャンプや分岐命令を使用しないことにしました。命令をリニアに実行している限りは、ウェイトによるばらつきが発生することはありません。その代わり、無駄なNOP（No Operation）命令をひたすら実行したり、ループで済ませられるところを全て展開させたりすることになりますが、幸いプログラムフラッシュ領域は512Kバイトと巨大なので、あまり気にはなりません。

　　PIC32MXのキャッシュ機能については、後閑哲也氏のサイトのここに解説があります。

　コンポジット信号出力システムとサンプルプログラムのソースを公開します。下記よりダウンロードしてください。私の開発環境は、MPLAB IDE Ver 8.80です。コンパイルに際して、最適化オプションは特に指定してもしなくても、問題なく動作しています。

　今回、グラフィック関連の簡単なライブラリを作成しました。以下の関数を用意しています。ソースはgraphlib.cで、graphlib.hにて関数の宣言等を行っていますのでincludeして利用してください。実際の利用方法はサンプル1を参考にしてください。

　　void pset(int x,int y,unsigned char c)
　　　　座標（x,y）にカラーcで点を描画

　　void line(int x1,int y1,int x2,int y2,unsigned int c)
　　　　座標（x1,y1）から（x2,y2）にカラーcの線分を描画

　　void circle(int x0,int y0,unsigned int r,unsigned int c)
　　　　座標（x0,y0）に半径rの円をカラーcで描画

　　void putfont(int x,int y,unsigned int c,unsigned char n)
　　　　座標（x,y）にカラーcで文字コードnのフォントを描画

　　void printstr(int x,int y,unsigned int c,unsigned char *s)
　　　　座標（x,y）にカラーcで文字列sを描画

　　void printnum(int x,int y,unsigned char c,unsigned int n)
　　　　座標（x,y）にカラーcで数値nを10桁の10進数で描画

　　void putbmpmn(int x,int y,char m,char n,const unsigned char bmp[])
　　　　座標（x,y）に横m×縦nの定数配列bmpに保存された画像を描画
　　　　配列の中身はカラー番号、ただし0は透明色

　　void clrbmpmn(int x,int y,char m,char n)
　　　　座標（x,y）の横m×縦nドットの画像を消去（カラー0で塗りつぶし）

line()関数およびcircle()関数の作成にはFussyさんのアルゴリズムのコーナーを参考にしました。また、putfont()等で使用している文字フォントは古いPCから抽出したものです。
　上記ライブラリではなく、カラー出力システム本体側で提供している関数は以下の通りです。

　　void init_composite(void)
　　　　システムを初期化し、映像信号出力開始
　　　　カラーパレットは、0〜7を通常の8色、8〜15は0〜7の明るさを半分にしたもの、残りは真っ白に設定されます。

　　void stop_composite(void)
　　　　映像信号出力停止

　　void start_composite(void)
　　　　映像信号出力開始（再開）

　　void clearscreen(void)
　　　　画面クリア（カラー番号0で塗りつぶす）

　　void set_palette(unsigned char n,unsigned char b,unsigned char r,unsigned char g)
　　　　カラーパレット設定。カラー番号nの青、赤、緑の強さを0〜255で設定

　実験用にサンプルプログラムを3点作成しました。

　PICワンチップだけでどこまで表現できるかのチャレンジのつもりで実験してみました。以前作成した外付けSRAMによる15ビット色対応に比べると表現力は劣りますが、ここまでできたのは予想外でした。PIC32MX695F512Hは1000円程度ですが、今のところ国内の店舗では販売されていないようで、ネット通販だと送料も必要となるため、あまり気軽に使えるチップではありません。できれば、機能はそれほど豊富でなくてもよいので、SRAMとフラッシュの容量だけが巨大で、DIPタイプの高速PIC32シリーズが低価格で出てくることを望みます。（あり得ないか。）

　と、ここまで書いてから調べてみたところ、DIPではないですが、128KバイトのSRAM搭載で、Ethernet等はない代わりに、最大100MHz（＝100MIPS）に対応したチップが最近出ていることに気付きました。例えばPIC32MX370F512H。PIC32MX695F512Hよりだいたい250円くらい安そうです。次はこれを使ってみますか。でも100MHz対応といっても、外部クロックの24倍までしか設定できないので、実際には3.58×24＝86MHzで使うことになります。せめて25倍ができれば、今回と同じカラーサブキャリアの5分の3周期で1ドットが作れるのですが。8分の5周期だとちょっと横長のドットになりそう。。。
　→ PIC32MX370F512Hで同様の実験を行った記事をこちらに掲載しました。クロックはより巧妙な手を使いました。(2015年3月28日）