ポートを使いこなし、いざ制御プログラミングの世界へ：イチから作って丸ごと学ぶ！ H8マイコン道（8）（3/3 ページ）

制御システムの基本といえるスイッチとLEDによる入出力回路の動作を理解したうえで、C言語によるポート制御を行う!!

[横田一弘 埼玉県立新座総合技術高等学校 教諭，MONOist]

――C言語によるポート制御ができるようになって、健一君もいろいろと興味がわいてきたようです。でも、健一君のいうとおり、プログラムの先頭にある「#define」が分からないと完全理解とはいえません。そこには、C言語の「ポインタ（pointer）」テクニックが生かされているのです。

ポインタでメモリの操作は自由自在

　ここまでの解説で、H8マイコンのポート操作はポートコントロールレジスタとポートデータレジスタの2種類のI/Oレジスタにより行われることが分かりました。では、これらのI/Oレジスタはどこにあるのでしょうか？

　そう、その答えは「メモリ」です。

　H8/3664のハードウェア・マニュアルを調べてみると、図5のようなメモリマップが見つかります。このメモリマップには、H8マイコンに内蔵されているROMやRAMが、メモリのどの番地にあるかが示されています。

図5　H8/3664Fのメモリマップ

　H8/3664Fの場合、（0）16番地から（7FFF）16番地までがROM領域、（F780）16番地から（FF7F）16番地までがRAM領域です。そして、（FF80）16番地からの内蔵I/Oレジスタ領域に、ポートなどの周辺機能を操作するI/Oレジスタが配置されています。つまり、ポートコントロールレジスタとポートデータレジスタはここにあるのです。

　H8マイコンのように、メモリ空間の一部分にI/Oレジスタを配置することを「メモリマップドI/O」と呼びます。メモリマップドI/Oの利点は、I/Oレジスタをメモリと同等にアクセスできることです。つまり、I/OレジスタのアクセスにC言語のポインタが使えます。

　実際に各ポートへアクセスするために、H8Tiny-USBで使用するポートコントロールレジスタとポートデータレジスタの番地を表2に示します。

レジスタ名称	略称	ビット数	アドレス
ポートデータレジスタ1	PDR1	8	FFD4
ポートデータレジスタ5	PDR5	8	FFD8
ポートデータレジスタ8	PDR8	8	FFDB
ポートコントロールレジスタ1	PCR1	8	FFE4
ポートコントロールレジスタ5	PCR5	8	FFE8
ポートコントロールレジスタ8	PCR8	8	FFED
表2　H8Tiny-USBで使用するポートのI/Oレジスタ

　それでは、I/Oレジスタのアクセス方法を解説します。

　例えば、ポートデータレジスタ1は、FFD4番地のバイト領域です。C言語で「0xFFD4」は、単なる整数なのでキャスト演算子により、バイト領域へのポインタに型変換します。

    (char *)0xFFD4 

　これで「0xFFD4番地のバイト領域」を指すポインタができました。続いて、このメモリ領域にアクセスするには、

    *((char *)0xFFD4) 

と「参照演算子（*）」を使えばよいのです。

　また、「ポート1の状態を変数dataに入力する」には、

    data = *((char *)0xFFD4); 

と変数「data」に代入すればよいのです。

　このように、ポインタによるI/Oレジスタのアクセスを毎回コーディングするのは厄介です。そこで、プログラムの先頭部分で「#define」を使って、ポート定義をしているのです。

　最後に、ポート定義で使われている「volatile」について説明しましょう。

　I/Oレジスタの内容は、プログラムの処理とは別に内容が変わることがあります。例えば、入力ポートのポートデータレジスタの内容は、外部からの信号値が入っています。このようなことをCコンパイラに教えるために、「volatile」修飾子が用意されているのです。

コラム（1）： C言語と2進数

H8マイコンの制御プログラムでは、バイト（8ビット）、ワード（16ビット）、ロングワード（32ビット）のデータを扱います。それでは、バイト、ワード、ロングワードのデータをC言語ではどのように表現するのでしょうか。

C言語の整数型（integral type）は、コンピュータ内で単に2進数で処理されるように定められています。C言語では、表3のようにバイトはchar型で、ワードはshort int（略してshort）型を、ロングワードはlong int（略してlong）型で扱います。

整数は、さらに負数を扱うかどうかによって、「符号付き整数（signed integer）」と、「符号なし整数（unsigned intsger）」に分かれます。制御プログラムにおいては、数値としてよりもビットに意味を持たせることが多いので、符号なし整数がよく使われます。

データ型	サイズ	数値の範囲
char（signed char）型	8ビット	−128 〜 127
short（signed short int）型	16ビット	−32768 〜 32767
long（signed long int）型	32ビット	−2147483648 〜 2147483647
unsigned char型	8ビット	0 〜 255
unsigned short（unsigned short int）型	16ビット	0 〜 65535
unsigned long（unsigned long int）型	32ビット	0 〜 4294967295
表3　整数型のバリエーション

コラム（2）： ポインタによるメモリ参照

C言語で特定の番地へアクセスするには、ポインタ（pointer）を使います。よく「ポインタはアドレスだ」などという人もいますが、それは決して誤りではありませんが、正確な答えではありません。

C言語のポインタは、参照するデータ型から派生されるデータ型です。ですから、配列を「intの配列」「charの配列」というように、ポインタも「intへのポインタ」「charへのポインタ」というべきです。

図6は「intへのポインタ(int *)」「charへのポインタ(char *)」の意味を図示したものです（intを16ビットとしている）。このようにポインタは、単にメモリのアドレスではなく、参照するメモリ領域の意味を知っているのです。

図6　ポインタとメモリの領域

ここまでちゃんと理解できたかしら健一君？

制御プログラミングって、いろいろ大変なのよ。

そうですね。

でも、C言語の理解にとっても役立つなー。

あら、今回はまだやる気が残っているようね。

そんな健一君のために、また宿題を出してあげるわ。

ゲッ!!

（やはり、そうくるか……）

このワタシとデートしたかったら、今度はしっかり解いておくのよ。

あっ、いけない！ ワタシ、今日合コンの約束があるんだった。

じゃ、バイバーイ!!

えーーーっ!!

（ガックリ）

晴子さんからの宿題（2）

SW1を押した回数を、7セグメントLEDに表示するプログラムを作ってね。ただし、カウンタの初期値は「0」よ。それと、「9」の次のカウントで最初の「0」に戻ること！

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　実際のH8マイコン制御プログラミングでは、メーカーが用意するヘッダファイルをインクルードすることで、I/Oレジスタを変数のように使うことができます。しかし、本連載では、C言語による制御プログラムの完全理解を目指し、あえてゼロから解説しました。いかがでしたか？

　さて次回は、スイッチ入力プログラムについて、さらに考察してみたいと思います。また、コンパイルの途中で「GCC（GNU Compiler Collection）」のC言語ライブラリが必要になりますので、こちらも併せて解説します。ご期待ください！（次回に続く）