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ド素人がRaspberry Piを使って発見した、いくつかの誤り

電子工作が初めてで右も左もわからなかったため、なるべく複数の情報源から調査するようにしていました。そして、必ずしも書籍に書かれていることが正しい訳ではない事がわかってきました。

私が電子工作のド素人であるというのは幸運なことだったかもしれません。ド素人でなければ、きっとこれらの事を疑問に思いもしないし、気付かなかったのではないかと思います。せっかくなので情報共有しようと思います。

誤り1

日経Linux 2013年3月号

この本は私がRaspberry Piを知るきっかけとなったありがたい本ですが、いくつか誤りがありました。まずはGPIOの出力についてです。

BCM2708で注意しなければならないのは、必ず1度だけ入力モードに設定し、その後に出力モードする必要があることです。

そのような必要はなく、GPIOをただちに出力モードに設定することが可能です。

この誤りは恐らく、日経Linux 2013年3月号が引用したelinux.orgのソースコードに書かれている

INP_GPIO(g); // must use INP_GPIO before we can use OUT_GPIOOUT_GPIO(g);

1	INP_GPIO(g); // must use INP_GPIO before we can use OUT_GPIOOUT_GPIO(g);

という記述からだと思われます。

なお、Raspberry Piに使用されているのはBCM2708ではなくBCM2835です。これが誤りの原因かはわかりませんが・・・。

ラズベリーの生みの親であるケンブリッジが公開しているコードでは、ただちに出力モードにしており、実際に動作することを確認しました。

if (direction == OUTPUT)
*(gpio_map+offset) = (*(gpio_map+offset) &amp; ~(7&lt;&lt;shift)) |="" (1&lt;&lt;shift);&lt;="" pre=""&gt;

1 2	if (direction == OUTPUT) (gpio_map+offset) = ((gpio_map+offset) & ~(7<<shift)) \|="" (1<<shift);<="" pre="">

C library for Broadcom BCM 2835 as used in Raspberry Piでも同じコードがあります。

v = (v &amp; ~mask) | (value &amp; mask);

1	v = (v & ~mask) \| (value & mask);

誤り2

誤り1で取り上げたケンブリッジのソースコードにも誤りがあります。これはプルアップとダウンをGPIOへ設定するためのコードです。

short_wait();
*(gpio_map+clk_offset) = 1 &lt;&lt; shift;
short_wait();
*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) &amp;= ~3;
*(gpio_map+clk_offset) = 0;

short_wait();

*(gpio_map+clk_offset) = 1 << shift;

short_wait();

*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) &= ~3;

*(gpio_map+clk_offset) = 0;

正しくは

*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) &amp;= ~3;
*(gpio_map+clk_offset) = 1 &lt;&lt; shift;
short_wait();
*(gpio_map+clk_offset) = 0;
short_wait();

*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) &= ~3;

*(gpio_map+clk_offset) = 1 << shift;

short_wait();

*(gpio_map+clk_offset) = 0;

short_wait();

です。

2014/11/09訂正: 誤り2は誤りではありませんでした。SC1602とBCM2835ではクロックの定義が違うのですが、私がそれを知りませんでした。(^^;;

誤り3

日経Linux 2013年3月号のRaspberry PiとSC1602の配線図に誤りがあります。

誤りのある配線図

正しい配線図

以下のページでSC1602の配線について扱っていました。

液晶表示モジュールを4ビットモードで使ったときの空きピン処理

ラズベリーからSC1602へ出力するだけであれば、たとえ上記の「誤りのある配線図」であっても動作はします。しかし、SC1602に想定外の問題が起こり、DB0-3が入力から出力になってしまった場合、SC1602からラズベリーへ電気が流れる事になります。すると、これらの回路は抵抗を持たない閉回路になるため過電流が発生します。

実際にはRaspberry PiとSC1602のDB全てが抵抗を内部に持っており、かつRaspberry Piには過電流の発生を検知して自動的に電源を落とす機能がある※ので、破損はしないようです。

※この情報は私見です。よく間違えてショートさせてしまうのですが、そのたびにRaspberry Piの電源が落ちていますので、事実だと思います。

この間違いは収束していないようです。秋月電子にて赤外線リモコン学習キットを購入したのですが、これにも同じ間違いがありました。

秋月電子赤外線リモコン学習キットのSC1602端子

DB0-3とR/WがGNDに接続されてます。

また、先ほどのページには、SC1602へデータを送った後、次にデータを送るまでの待機時間と電圧のかけ方についても書かれていたので、実際に試してみました。やることは簡単です。SC1602へ何らかのコマンドを送った後、次のコマンドを送るまでの間、E以外(DB, R/W, RS)につないだGPIOの設定を、入力モード、電圧ON、プルUPに設定するだけです。実際に電流を測ってみて驚きました。

電流が半分以上減りました。効果絶大です。そして、知らない事はとても損であることと、知らない事に気づくというのが、いかに難しいかということを思いました。

誤り4

日経Linux 2013年3月号にあるRaspberry Piとスイッチの配線図です。

GPIO4とSWの間にも抵抗を入れるべきです。

Nikkei201303-4 ケンブリッジのページの説明の通りです。もし間違ってGPIOを出力モードにしてしまった場合、Raspberry Piに過電流が発生します。

もし本記事に興味、ご関心があれば、ぜひ「ラズベリーと電子工作の記事一覧」を見てください。例えばこんな記事があります。

ド素人がRaspberry Piで電子工作を始める
ラズベリーパイ財団が制作したたばこの箱サイズのパソコン「Raspberry Pi」は、私をパソコンから電気工学へ橋渡ししてくれる存在となりました。基盤やコネクタに群がるゾンビにしてしまったと言った方が正確かもしれませんが(笑)。

Raspberry Piで電子工作その2
電流、抵抗、電圧の意味がわからず、アキバのパーツ屋で買物すらできなかった私。勉強のためにお金をつぎ込んだ結果、だんだんと意味がわかってきました。

Raspberry Piでの電子工作にあたって購入した道具
ラズベリーで電子工作を始めて4ヵ月が経ちました。勉強を進めるにあたり、本や電子パーツ、道具など、必要に応じて購入する必要がありました。今日は私がラズベリー以外に購入した道具を紹介します。

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9 Responses to "ド素人がRaspberry Piを使って発見した、いくつかの誤り"

kato521 より:

12月 15, 2013 11:40 AM

GPIOの扱い、制御系の場合はリセット後の状態を良くかんがえないと困ったことになるので、とりあえず入力モードに設定しろと書いたのではないですかね？

BCM2835のドキュメント観てみましたが、初期化後の各ピンの状態を見つけることができませんでした。もう少し詳細なドキュメント探してみます。

一般的にはリセット後は入力モードで、ハイインピーダンスになってないと危なくて利用できないと思いますが、、。
しかし、ハイインピーダンスがデフォルトで出力デバイスが接続されている場合、ノイズが出まくるので通常はプルアップかプルダウン入れてノイズ押さえます。
プルアップとプルダウンまで内臓レジスタで設定できるみたいですが、そのあたりどうなっているか、。

ps.パワードライブで、gpio経由の場合、リセット後の状態を考えないとドライバー回路壊します。
英語で書いた方がよいですか？

返信
1. Administrator より:
  
  12月 16, 2013 7:20 PM
  
  コメントありがとうございます。一般的には入力モードでハイインピーダンスなんですね。気になったのでGPIOの初期状態を調べてみました。
  
  GPIO2, 3, 14, 15 Pull: UP Direction: ALT0 Voltage: HIGH 上記それ以外のGPIO Pull: UP Direction: INPUT Voltage: LOW
  
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  GPIO2, 3, 14, 15
  Pull: UP
  Direction: ALT0
  Voltage: HIGH
  
  上記それ以外のGPIO
  Pull: UP
  Direction: INPUT
  Voltage: LOW
  
  Raspbian(2013/5/25版)の起動後です。内蔵レジスタで確認しました。
  GPIO2, 3はI2C通信、GPIO14, 15はシリアル通信を兼ねているので、このような初期状態なのだろうと思います。なお、この状態がBCM2835の初期状態と一致するかはわかりません。
  
  入力モードにはなっているものの、電圧はLOWですね。ハイインピーダンスの意味がよくわからないのですが、電圧が高いという事ですか？もしそうであれば危ないという事ですよね・・・。
  
  ※英語でなくても大丈夫ですよ。海外からのアクセスも考えて英語でも書いてますが、ほとんどのアクセスは日本からなので(^^;
  
  返信

AK より:

11月 3, 2014 2:12 AM

Raspberry Piのシャットダウンスイッチで作成のためPull-up/downの設定方法をググってたら通りがかりました。他のエントリーもそうですが、丁寧な調査内容や途中経過の記録が素晴らしいと思います。

すでに1年以上前のエントリーで申し訳ありませんが「誤り2」の指摘について一言
BCM2385のGPIO Pull-up/downの設定はデータシートでは下記の1～6の手順で説明されています。

1. GPIO Pull-up/down Register (GPPUD)レジスタに希望の状態(pull-up/pull-down/disable)を設定する
2. 150サイクル待つ
3. GPIO Pull-up/down Clock Registers(GPPUDCLKn)のGPIO-pinに対応するビットに1をセットする
4. 150サイクル待つ
5. GPPUDレジスタの設定をクリアする
6. GPPUDCLKn レジスタの設定をクリアする

電気的なことはわかりませんがケンブリッジのソースコードは
上記の１～６の手順で実装されているので問題はないと思います。


void set_pullupdn(int gpio, int pud)
{
    int clk_offset = PULLUPDNCLK_OFFSET + (gpio/32);
    int shift = (gpio%32);
    
    //希望の状態をセット
    if (pud == PUD_DOWN)
       *(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) = (*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) & ~3) | PUD_DOWN;
    else if (pud == PUD_UP)
       *(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) = (*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) & ~3) | PUD_UP;
    else  // pud == PUD_OFF
       *(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) &= ~3;
    
    short_wait();                          // 待つ
    *(gpio_map+clk_offset) = 1 ＜＜ shift;   // クロックセット
    short_wait();                          // 待つ
    *(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) &= ~3;     // 設定クリア
    *(gpio_map+clk_offset) = 0;            // クロッククリア
}
>

void set_pullupdn(int gpio, int pud)

{

int clk_offset = PULLUPDNCLK_OFFSET + (gpio/32);

int shift = (gpio%32);

//希望の状態をセット

if (pud == PUD_DOWN)

*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) = (*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) & ~3) | PUD_DOWN;

else if (pud == PUD_UP)

*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) = (*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) & ~3) | PUD_UP;

else // pud == PUD_OFF

*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) &= ~3;

short_wait(); // 待つ

*(gpio_map+clk_offset) = 1 ＜＜ shift; // クロックセット

short_wait(); // 待つ

*(gpio_map+PULLUPDN_OFFSET) &= ~3; // 設定クリア

*(gpio_map+clk_offset) = 0; // クロッククリア

}

長々とすみません。

返信

Administrator より:

11月 3, 2014 12:15 PM

こんにちは。
シャットダウンスイッチを作成されているのですか。とても興味があります。私も以前考えた事がありますが、どうすればよいか、よくわかりませんでした。スイッチを押すとOSのshotdownコマンドを呼び出すようにはできそうですが、本体への電源供給は止められるのでしょうか。私はいつもshotdownしていますが、本体の電源ランプがつきっぱなしになるので、結局はshotdown後に電源ケーブルそのものを手動のスイッチで切っています。二度手間なのでなんとかしたいものです。

さて、AKさんの指摘ですが、
ケンブリッジのコードとBCM2385のサンブルコードは同じ手順で実装されているので問題はない
ということですね。

私の指摘は
ケンブリッジのソースコードの手順は間違っている
(もしケンブリッジのコードとBCM2385のコードは同じなら、BCM2385のコードも間違っている)
という事なので、話がずれているように思います。

私はクロック信号の正しい使い方がわかりません。今のところ以下のように理解しています。

クロック電圧(High)を加える※ ターゲットへ電圧を加える※ 十分待機するクロック電圧(Low)を加える十分待機する

1
2
3
4
5

クロック電圧(High)を加える※
ターゲットへ電圧を加える※
十分待機する
クロック電圧(Low)を加える
十分待機する

※1と2の順序は本文と逆です。ここ1年間で逆だと思うようになりました。

返信
1. AK より:
  
  11月 4, 2014 3:01 AM
  
  ＞ケンブリッジのコードとBCM2385のサンブルコードは同じ手順で実装されているので問題はない
  ＞ということですね。
  はい。ただし、正確には「BCM2385のサンプルコード」ではなく「BCM2385の仕様書の説明文」です
  
  ＞私の指摘は
  ＞ケンブリッジのソースコードの手順は間違っている
  ＞(もしケンブリッジのコードとBCM2385のコードは同じなら、BCM2385のコードも間違っている)
  ＞という事なので、話がずれているように思います。
  ご指摘のようにソースと仕様書の手順が一致していることしか確認していなかったので
  手順そのものが間違っているのかどうか自分なりに動作確認してみました。
  (この方法が正しいかどうかは自信がありませんが)
  
  BCM2385のレジスタを直接アクセスするプログラムを作成して上記手順の2,4,5,6実行後に
  GPIO-pin4(ヘッダピンP1のNo7)にテスターを当て電圧を確認しました。
  4のタイミングでLow→High(pull-up設定時)、High→Low(pull-down設定時)に変化しているので
  1～6の手順でPull-up/downの設定自体はできているように見えます。
  
  私の理解では(ここからは想像ですが)
  手順 3のクロックセットは、手順 1の設定値をpull-up/pull-donwコントロールレジスタ
  (BCM2385 GPIOブロックの内部レジスタ)に反映するために内部クロックの出力を開始するもので、
  手順 6のクロッククリアは設定が終了したのでクロックを停止するということだと思います。
  
  ですから、Pull-up/downの設定方法としては間違っていないのではないかなぁと。
  
  ＞スイッチを押すとOSのshotdownコマンドを呼び出すようにはできそうですが、
  こちらしか頭にありませんでした。
  ＞本体への電源供給は止められるのでしょうか。
  こちらは全然考えていませんでした。
  
  ＞二度手間なのでなんとかしたいものです。
  おっしゃるように、確かに2度手間な感じがしてきました。
  今のところノーアイデアです。
  
  返信
  1. Administrator より:
    
    11月 5, 2014 9:29 PM
    
    AKさんの主張と私の主張は相反しますね。それにも関らずAKさんのプログラムも私のプログラムも動作するのです。
    私はAKさんの主張や根拠を正しく把握していませんでした。その理由は
    ・データシートおよび手順の引用元が書かれていない
    　(そもそもデータシートが仕様書だと気付けなかったです。どこかのサイトのソースコードを見たのだと勘違いしてしまい、気に留めませんでした)
    ・電気的なことはわかりません、と書かれているので信用していいのかわからない
    ・私の主張の根拠であるSC1602の制御についてまったく指摘がない
    からです。仮にAKさんが思った事を何となく書いただけだとしたら、話を掘り下げるべきか私は悩みました。(なんとなくコメントする人が多く、多少うんざりしているのです。)
    
    その後「BCM2385の仕様書」と書いて頂いたおかげで、誤り2の指摘はBCM2385の仕様に沿っていない事に気づきました。
    
    BCM2385の仕様書を確認しました。
    http://www.raspberrypi.org/wp-content/uploads/2012/02/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf
    これの101ページですよね。この仕様書は何度か参考にしましたが、101ページは初めて見ました。
    
    私はこれを読み、
    ・手順1～6は仕様である
    ・BCM2385のクロック仕様はSC1602のクロック仕様とは異なる
    という事がわかりました。
    
    BCM2385の仕様
    クロックは複数 (各GPIO番号) (clk_offsetポインタが示す)
    各クロックの取りうる値は2つ (0と1)
    ターゲットは1つ (PULLUPDN_OFFSET)
    ターゲットの取りうる値は3つ (OFF、DOWN、UP)
    
    一方、SC1602の仕様は・・・
    クロックは1つ (Enable Signalのみ)
    クロックの取りうる値は2つ (LOWとHIGH)
    ターゲットは10個 (DB0～DB7, RS, RWの)
    各ターゲットの取りうる値は2つ (LOWとHIGH)
    
    私の勘違いによるBCM2385の仕様は・・・
    クロックは1つ (clk_offset)
    クロックの取りうる値は2つ (LOWとHIGH)
    ターゲットは複数 (各GPIO番号)
    各ターゲットの取りうる値は3つ (OFF、DOWN、UP)
    
    すなわち、「クロック」という言葉の定義がBCM2385とSC1602ではまったく逆なのです。そして定義が逆であろうとプログラムが動作する理由は、以下の2つの動作がこの順で行われるからです。
    ・OFF、DOWN、UPを設定する
    ・clk_offsetを0にする (クリアとLOWが同値であるのも理由と言えます)
    
    今後プログラムを修正しようと思います。またAKさんの回答を待ってから本文を修正したいと思います。ご指摘ありがとうございました。(^^)/
    
    返信
    1. AK より:
      
      11月 7, 2014 12:37 AM
      
      ＞私はAKさんの主張や根拠を正しく把握していませんでした。その理由は
      ：
      中略
      ：
      ＞仮にAKさんが思った事を何となく書いただけだとしたら、話を掘り下げるべきか私は悩みました。
      ＞(なんとなくコメントする人が多く、多少うんざりしているのです。)
      するどい指摘ですね。
      実はなんとなく感じた違和感から、深夜のノリと勢いで書いただけでした。
      中途半端な指摘で、お手間をおかけしたようでごめんなさい。
      
      ＞http://www.raspberrypi.org/wp-content/uploads/2012/02/BCM2835-ARM-Peripherals.pdf
      ＞これの101ページですよね。この仕様書は何度か参考にしましたが、101ページは初めて見ました。
      そうです。これの101ページです。
      出典は明記しないと検証のしようがありませんよね。
      
      丁寧な考察までありがとうございました。

HY より:

11月 9, 2014 3:25 AM

初めまして。
最近Raspberry Piを触り始めた初心者で、参考にさせてもらっています。

現在、日経Linuxを参考にLCDディスプレイの制御に挑戦しているのですが、うまくいきません。
よろしければアドバイスを頂けませんか？

配線したところ、ディスプレイの上半分のドットが全て点灯しました。
その後、日経Linuxの説明通りにlcdtest.cをコンパイル・実行したのですが、
「mmap error -122*******（*は毎回変わる）」
と表示されます。ledtest.cでも同様です。
mmap関数は失敗するとMAP_FAILED を返すようなので、返り値をif文でチェックしたところ、MAP_FAILEDが返されているわけではないようです。
試しに、 gpio_setup関数内の以下のチェックをコメントアウトしてledtest.cをコンパイル・実行したところledが点滅しました。しかし、lcdtestはディスプレイは最初の状態のままでした。
if ((long)gpio_map < 0) {
printf("mmap error %d\n", (int)gpio_map);
exit(-1);
}

Raspberry Pi B+にリモート接続して行っています。
もし、原因が分かるようでしたらアドバイスお願いします。

返信
1. Administrator より:
  
  11月 9, 2014 9:57 PM
  
  こんにちは。私も当時同じエラーでハマりましたよ。やはり動かないですよね、日経Linuxのコード(^^;;; 私は自分だけの問題かと思っていました。ここまで致命的なコードが出版までそのまま放置されてしまうという可能性はかなり低いと思ったからです。
  
  回避の方法は以下の通りです。
  
  gpio_setup.hのvoid setup_io()内
  if ((long)gpio_map < 0)
  の部分を
  if (gpio_map == MAP_FAILED)
  にすると私の環境では動作します。
  
  失敗すると値 MAP_FAILED (つまり (void *) -1) を返し、 errno がエラーの内容にしたがってセットされる。
  http://linuxjm.sourceforge.jp/html/LDP_man-pages/man2/mmap.2.html
  と書かれています。MAP_FAILEDは(void *) -1と等しいようです。私は(void *) -1の意味がよくわかりません。
  
  また私はRaspberry Pi Bで検証しています。B+ではありません。私とHYさんが持つ日経のソースコードが全く同じかどうかもわかりません。
  
  非常にタイムリーですが、SC1602の制御プログラムを公開しました。こちらも参考になれば幸いです。
  http://blog.e-photographer.net/?p=1236&lang=ja
  
  返信

誤り1

誤り2

誤り3

誤り4

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