PIC16F18857など一部のEnhanced midrange PIC16Fシリーズは、FATファイルシステムを持つMMC互換カード（要するにSDカード）の読み書きをできるだけの非常に大きなプログラムメモリとデータメモリを持っています。
MMCカードは、通常はセクターサイズが512バイトになっているため、512バイトごとの読み書きが求められます。そのため、少なくとも512バイトのバッファーは必要となります。一方で、PIC16F18857は4kB（4096バイト）ものデータメモリを持っているため、充分にその能力があるのです。PIC16Fシリーズもここまで来ました（参考までに、PIC16F84Aは68バイト、PIC16F1827は384バイトです）。
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余談ですが、PIC16Fシリーズは基本的に以下のようなデータメモリ構造になっています。
このアーキテクチャは昔から変わりませんね。ひとつのバンクに7bit分（128バイト分）のメモリがあって、12バイトのコアレジスタ（どのバンクからでも共通で参照される特別なレジスタ）、SFR（周辺機器を制御するためのレジスタ）、80バイトの汎用レジスタ、16バイトの共通汎用レジスタ（どのバンクからでも共通で参照される汎用レジスタ）となっています。
PIC16F18857では、なんとバンクが全部で64個もあります。 そして、この80バイトの汎用レジスタはバンク0～50で実装されており、80×51=4080バイト、そして共通汎用レジスタの16バイトを足して4096バイトというわけです。
また、PIC16Fシリーズはハーバードアーキテクチャ（プログラムメモリとデータメモリが別のメモリ空間となっているアーキテクチャ）ですが、Enhanced MidrangeではFSR (File Select Register)が16bit長に拡張されており、また、データメモリもプログラムメモリもすべて同じメモリ空間上で間接参照できるようになっています。この汎用データメモリも物理的には80バイト×51バンクとバラバラに配置されていますが、FSR経由でリニアにアクセスできるようにされています。
もはや執念すら感じますね。
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さて、話を戻して、伝統的なアーキテクチャに縛られながらも大容量メモリを実現したこのマイコンを使用して、MMCの読み書きを行ってみたいと思います。
MMCの読み書きをする以上は、FATファイルシステムに対応できなければ意味がありません。今回は（も？）ChaN氏のFatFsを使用してMMCの読み書きをしてみます。
回路
まずは以下のような回路を実装します。
私はユニバーサル基板とDIP化されたMicroSDスロットを使用して実装しました。ブレッドボードでももしかしたらいけるかもしれませんが、SPIが数MHzでの送信となるため、周囲との結合容量が大きいともしかしたら上手く動かないかもしれません。
電源のことは回路図に書きませんでしたが、簡単にUSBから電源をもらって3.3Vの3端子レギュレーターで落とす回路を作って供給しています。
- RA1：挿入検知
- RA2：CS
- RB0：MISO（MMC出力→PIC入力）
- RC6：MOSI（PIC出力→MMC入力）
- RC7：SCLK
もっぱらPIC16F18857にはPPS (Peripheral Pin Select）機能があって、SPI含むペリフェラルを任意のポート(※)に割り当てることができます。そのため、これと全く同じ回路が必須というわけではなく、PPSで割り当て可能な範囲で別のポートを使っても問題ありません。
※：割り当て可能なポートの範囲はペリフェラルごとに決まっています（本当に何でも好きなポートに割り当てられるわけではありません）。データシートをよく読んで回路を設計してください。
FatFsの適用
さて、FatFsをプロジェクトに追加していきます。結論だけ知りたい人は、こちらのGithubレポジトリにコードを上げておいたので、こちらも参考にしてください。
やることは主に以下の2つです。
- FatFsのオプション設定
- FatFsの改造
- diskio.cの実装
順に説明していきます。
FatFsのオプションの設定
ffconf.hをいじります。デフォルトで読み書き両方できるオプションになっているので大きくいじる必要は無いかと思います。RTCが搭載されている場合は、FF_FS_NORTCを0にしたうえでget_fattime関数を実装しましょう。今回はそうではないので、RTC代わりに固定の日付を設定しておきます。下の例は日付を2025/6/1としているパターンです。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | #define FF_FS_NORTC 1#define FF_NORTC_MON 6#define FF_NORTC_MDAY 1#define FF_NORTC_YEAR 2025/* The option FF_FS_NORTC switches timestamp feature. If the system does not have/ an RTC or valid timestamp is not needed, set FF_FS_NORTC = 1 to disable the/ timestamp feature. Every object modified by FatFs will have a fixed timestamp/ defined by FF_NORTC_MON, FF_NORTC_MDAY and FF_NORTC_YEAR in local time./ To enable timestamp function (FF_FS_NORTC = 0), get_fattime() need to be added/ to the project to read current time form real-time clock. FF_NORTC_MON,/ FF_NORTC_MDAY and FF_NORTC_YEAR have no effect./ These options have no effect in read-only configuration (FF_FS_READONLY = 1). */ |
FatFsの改造
さて、PIC16FシリーズでFatFsを使う場合、FatFs本体の改造を一点だけする必要があります。
というのも、XC8では関数の再帰呼び出しができないのですが、FatFsでは再帰呼び出しがされている場所があります。putc_bfd(putbuff* pb, TCHAR c)という内部関数なのですが、LFをCRLFに置き換える場合、\nがやって来た時に再帰呼び出しで\rを追加する処理を行っています。
再帰呼び出しを使わずとも簡単なif文で対処できる程度のものなので、再帰以外の部分をputc_bfd_internal(putbuff* pb, TCHAR c)という別の関数に分離して対処しましょう。
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diskio.cの実装
さて、こいつが山場です。MMCへの入出力をすべて実装しなければなりません。
色々悩みましたが、まずはdiskio_hardware.hというファイルを作り、PICの入出力ピンの設定などを盛り込むこととしました。
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ここに登録している関数（MMC_Initなど）はFatFsを通り越して呼ぶことを前提とした関数としました。主な役目は以下の通りです。
- MMC_Init：MMCモジュールの初期化を行う。主にTRISの設定、Interrupt On Changeの設定など。
- MMC_Interrupt：割り込み処理ルーチン。MMCの抜き差しに反応して発生する割り込みを処理する。
- MMC_Eject：MMCを安全に取り出す。これを操作した以後はファイルの読み書きはできなくなる。
- MMC_IsEjected：MMCが安全に取り出されているかどうか。
- MMC_AccessLamp：MMCのアクセスランプを制御するコールバック関数。main.cなどで実装が必要。
これらの関数と、diskio.hで指定された関数を実装したdiskio.cを作りました。長いので全体はGithubを参照してください。
いくらか抜粋です。まずはdisk_initialize関数です。
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コマンドをいくつか送ってカードの判別と初期化をしています。
つづいてディスクの読み込み機能です。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 | DRESULT disk_read ( BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber to identify the drive */ BYTE *buff, /* Data buffer to store read data */ LBA_t sector, /* Start sector in LBA */ UINT count /* Number of sectors to read */){ if((pdrv != DEV_MMC) || (count == 0)) return RES_PARERR; if(DiskStat & STA_NOINIT) return RES_NOTRDY; if(!(CardType & CT_BLOCK)) sector *= 512; /* Convert to byte address if needed */ if(count == 1) { /* Single block read */ if((MMC_send_cmd(CMD17, sector) == 0) && MMC_ReceiveDataBlock(buff, 512)) count = 0; } else { /* Multiple block read */ if(MMC_send_cmd(CMD18, sector) == 0) { /* READ_MULTIPLE_BLOCK */ do { if(!MMC_ReceiveDataBlock(buff, 512)) break; buff += 512; } while (--count); MMC_send_cmd(CMD12, 0); /* STOP_TRANSMISSION */ } } MMC_deselect(); return (count > 0) ? RES_ERROR : RES_OK;} |
シングルブロックリードとマルチブロックリードでコマンドを送り分けています。
つづいてディスクの書き込み機能です。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 | DRESULT disk_write ( BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber to identify the drive */ const BYTE *buff, /* Data to be written */ LBA_t sector, /* Start sector in LBA */ UINT count /* Number of sectors to write */){ if((pdrv != DEV_MMC) || (count == 0)) return RES_PARERR; if(DiskStat & STA_NOINIT) return RES_NOTRDY; if(DiskStat & STA_PROTECT) return RES_WRPRT; if(!(CardType & CT_BLOCK)) sector *= 512; /* Convert to byte address if needed */ if(count == 1) { /* Single block write */ if((MMC_send_cmd(CMD24, sector) == 0) && MMC_SendDataBlock(buff, 0xFE)) count = 0; } else { /* Multiple block write */ if(CardType & CT_SDC) MMC_send_cmd(ACMD23, count); if(MMC_send_cmd(CMD25, sector) == 0) { /* WRITE_MULTIPLE_BLOCK */ do { if(!MMC_SendDataBlock(buff, 0xFC)) break; buff += 512; } while (--count); if (!MMC_SendDataBlock(0, 0xFD)) /* STOP_TRAN token */ count = 1; } } MMC_deselect(); return count ? RES_ERROR : RES_OK;} |
こちらもシングルブロックライトとマルチブロックライトを別々に実装しています。ここでポイントは、データを送ったからと言って即MMCのフラッシュメモリにデータが書き込まれているわけではないことです。あくまでもデータをMMCに送っただけで、それとは非同期でフラッシュメモリへのデータの書き込みが実行されていきます。
では、書き込みが完了したことを確認するにはどうしたら良いかと言うと、次のdisk_ioctlのコマンドCTRL_SYNCを送れば良いです。
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FatFsが使わないメソッドも実装していますが、PICのプログラムメモリを節約できるようにプリプロセッサで除外できるようにしています。
mainルーチンの作成
ここまで作ったらほとんどできたも同然です。mainルーチンは比較的シンプルに実装できます。
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1秒に1回「Hello, world!!」というテキストをファイルに書き込んでいくだけのプログラムです。
前述した通り、MMC_Interrupt()関数でカードの抜き差しを検知していますので、カードを差していなかったらちゃんとf_open関数がエラーになって書き込みは行われません。また、MMC_AccessLamp関数でアクセス時にLEDを点灯させることもちゃんとできています。
まとめ
無事、FatFsがPIC16Fシリーズでも動きました。私が初めて触ったマイコンもPIC16Fシリーズでしたが、同じシリーズのマイコンでここまでできるようになるとは、当時の私には想像もできなかったでしょうね。
さて、ここまで作って使ったメモリはどれくらいでしょう。
データメモリは1,382バイト、プログラムメモリは13,372ワードでした。やはりかなりの量のメモリを使いますが、一方で半分いかないくらいなので、別のプログラムを盛り込んで何か素晴らしいアプリケーションを実装する余裕もあります。ここからまたどんどん夢が広がっていきますね。
