前回はRaspberry Pi Pico を用いてバーサライタを製作しました。

Raspberry Pi Pico でバーサライタ製作 (C/C++) ーRaspberry Pi Picoへの道6ー

ここでは、表示映像の解像度向上のためにSPI複数出力とデュアルコア動作を検証しましたので報告します。

SPI複数出力

Raspberry Pi Pico にはハードウェアSPI端子が２個あります (SPI0, SPI1)。

この２つのSPI端子でそれぞれLEDテープを制御してみました。

Raspberry Pi Pico
ハードウェアSPI0とSPI1の2つで
LED制御

ステートマシンってのを分けると
独立で制御できるらしい#RaspberryPiPico pic.twitter.com/obmS05NFdM

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) February 14, 2021

Cコード

#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pio.h"
#include "apa102.pio.h"

#define PIN_CLK0 2
#define PIN_DIN0 3
#define PIN_CLK1 14
#define PIN_DIN1 15

#define N_LEDS 11
#define SERIAL_FREQ (30 * 1000 * 1000)

// Global brightness value 0->31
#define BRIGHTNESS 3

uint32_t color[] ={
    0xFF0000,
    0x00FF00,
    0x0000FF,
    0x00FFFF
};

void put_start_frame(PIO pio, uint sm) {
    pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0u);
}

void put_end_frame(PIO pio, uint sm) {
    pio_sm_put_blocking(pio, sm, ~0u);
}

void put_bgr888(PIO pio, uint sm, uint32_t c) {
    pio_sm_put_blocking(pio, sm,
                        0x7 << 29 |                   // magic
                        (BRIGHTNESS & 0x1f) << 24 |   // global brightness parameter
                        c
    );
}


int main() {
    stdio_init_all();

    PIO pio = pio0;
    uint sm0 = 0;
    uint sm1 = 1;
    uint offset = pio_add_program(pio, &apa102_mini_program);
    apa102_mini_program_init(pio, sm0, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK0, PIN_DIN0);
    apa102_mini_program_init(pio, sm1, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK1, PIN_DIN1);

    while (true) {
        for (int j = 0; j < 4; ++j) {
            put_start_frame(pio, sm0);
            put_start_frame(pio, sm1);
            for (int i = 0; i < N_LEDS; ++i) {
                put_bgr888(pio, sm0, color[j]);
                put_bgr888(pio, sm1, color[3-j]);
            }
            put_end_frame(pio, sm0);
            put_end_frame(pio, sm1);
            sleep_ms(500);
        }
    }
}

#include "pico/stdlib.h"

#include "hardware/pio.h"

#include "apa102.pio.h"

#define PIN_CLK0 2

#define PIN_DIN0 3

#define PIN_CLK1 14

#define PIN_DIN1 15

#define N_LEDS 11

#define SERIAL_FREQ (30 * 1000 * 1000)

// Global brightness value 0->31

#define BRIGHTNESS 3

uint32_t color[] ={

0xFF0000,

0x00FF00,

0x0000FF,

0x00FFFF

};

void put_start_frame(PIO pio, uint sm) {

pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0u);

}

void put_end_frame(PIO pio, uint sm) {

pio_sm_put_blocking(pio, sm, ~0u);

}

void put_bgr888(PIO pio, uint sm, uint32_t c) {

pio_sm_put_blocking(pio, sm,

0x7 << 29 | // magic

(BRIGHTNESS & 0x1f) << 24 | // global brightness parameter

);

}

int main() {

stdio_init_all();

PIO pio = pio0;

uint sm0 = 0;

uint sm1 = 1;

uint offset = pio_add_program(pio, &apa102_mini_program);

apa102_mini_program_init(pio, sm0, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK0, PIN_DIN0);

apa102_mini_program_init(pio, sm1, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK1, PIN_DIN1);

while (true) {

for (int j = 0; j < 4; ++j) {

put_start_frame(pio, sm0);

put_start_frame(pio, sm1);

for (int i = 0; i < N_LEDS; ++i) {

put_bgr888(pio, sm0, color[j]);

put_bgr888(pio, sm1, color[3-j]);

}

put_end_frame(pio, sm0);

put_end_frame(pio, sm1);

sleep_ms(500);

}

PIO

SPI入力LEDをPIOなる機能で点灯制御しているのですが、２本制御の際はステートマシンなるモノを分けて使用するとよいようです。

PIOブロックは２個内蔵 (pio0, pio1)され、それぞれにステートマシン4個搭載されています (sm0~3)。

ここではpio0のsm0でSPI0を、sm1でSPI1を制御して２本のLEDを点灯しました。

狭ピッチバーサライタ

以前製作した狭ピッチのLEDバーサライタをRaspberry Pi Picoで制御してみます。

APA102-2020の再考　- バーサライタへの応用 –

このLEDはリフレッシュレートが低いためRGBそれぞれをフル輝度で使用しなくてはならず８色しか出力できませんが
2mm角のLEDが狭ピッチで配置されていますので解像度向上実験にはもってこいです。

構成

2つのSPI出力でLEDを64セル, 63セルずつ制御します。

Ultra High Density DotStar LED PCB Bar - 128 LEDs

www.adafruit.com

動作

先ほどと同様に２個のSPI出力で制御し、回転速度470rpmで回してみたところ、計127個のLEDを1周 240分割で表示できました。

Raspberry Pi Pico
SPI0:LED 64セル
SPI1:LED 63セル

回転速度 470rpmで1周 240分割達成
このLEDバーで240分割初めて見た

デュアルコアで高みを目指す#RaspberryPiPico pic.twitter.com/gljJGGmxjb

— HomeMadeGarbage (@H0meMadeGarbage) February 14, 2021

ESP32のデュアルコア制御でも200分割が限界でしたので、やはりRaspberry Pi Pico の高速IOは素晴らしいです。

デュアルコア制御

Raspberry Pi PicoはCortex-M0+を２個搭載しています。
更なる高解像表示を目指してデュアルコア制御を試します。

Cコード

core0で回転速度計測とSPI0のLED制御し、
core1でSPI1のLED制御しています。

#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pio.h"
#include "apa102.pio.h"
#include "pico/multicore.h"

#define PIN_CLK0 2
#define PIN_DIN0 3
#define PIN_CLK1 14
#define PIN_DIN1 15

#define N_LEDS 64
#define Div 240

#define SERIAL_FREQ (30 * 1000 * 1000)

// Global brightness value 0->31
#define BRIGHTNESS 1

uint32_t color[] ={
    0xFF0000,
    0x00FF00,
    0x0000FF,
    0x00FFFF
};

unsigned long rotTime, timeOld, timeNow;
int numRot = 0;

int stateDiv = 0;
int stateDiv2 = 0;
int numDiv = 0; 
int num = 0;

void gpio_callback() {
    timeNow = time_us_64();
    rotTime = timeNow - timeOld;
    timeOld = timeNow;
    
    numRot++;
    if(numRot >= Div ) numRot = 0;
}

void put_start_frame(PIO pio, uint sm) {
    pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0u);
}

void put_end_frame(PIO pio, uint sm) {
    pio_sm_put_blocking(pio, sm, ~0u);
}

void put_bgr888(PIO pio, uint sm, uint32_t c) {
    pio_sm_put_blocking(pio, sm,
                        0x7 << 29 |                   // magic
                        (BRIGHTNESS & 0x1f) << 24 |   // global brightness parameter
                        c
    );
}


void core1_entry() {
    PIO pio = pio0;
    uint sm = 1;
    uint offset = pio_add_program(pio, &apa102_mini_program);
    apa102_mini_program_init(pio, sm, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK1, PIN_DIN1);

    while (true) {
        if(stateDiv2 == 1){
            put_start_frame(pio, sm);
            for (int i = 0; i < N_LEDS; ++i) {
                put_bgr888(pio, sm, color[num]);
            }
            put_end_frame(pio, sm);
            stateDiv2 = 0;
        }
    }
}

int main() {
    stdio_init_all();
    gpio_set_irq_enabled_with_callback(22, GPIO_IRQ_EDGE_RISE, true, &gpio_callback);

    multicore_launch_core1(core1_entry);

    PIO pio = pio0;
    uint sm = 0;
    uint offset = pio_add_program(pio, &apa102_mini_program);
    apa102_mini_program_init(pio, sm, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK0, PIN_DIN0);

    while (true) {
        if(stateDiv == 1 && time_us_64() - timeOld > rotTime / Div * (numDiv)){
            stateDiv = 0;
        }

        if(stateDiv == 0 && time_us_64() - timeOld < rotTime / Div * (numDiv + 1)){
            stateDiv = 1;
            stateDiv2 = 1;
            
            put_start_frame(pio, sm);
            for (int i = 0; i < N_LEDS; ++i) {
                put_bgr888(pio, sm, color[num]);
            }
            put_end_frame(pio, sm);

            numDiv++;
            if(numDiv >= Div ) numDiv = 0;

            num++;
            if(num > 1 ) num = 0;
        }
    }
}

100

101

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111

112

#include <stdio.h>

#include "pico/stdlib.h"

#include "hardware/pio.h"

#include "apa102.pio.h"

#include "pico/multicore.h"

#define PIN_CLK0 2

#define PIN_DIN0 3

#define PIN_CLK1 14

#define PIN_DIN1 15

#define N_LEDS 64

#define Div 240

#define SERIAL_FREQ (30 * 1000 * 1000)

// Global brightness value 0->31

#define BRIGHTNESS 1

uint32_t color[] ={

0xFF0000,

0x00FF00,

0x0000FF,

0x00FFFF

};

unsigned long rotTime, timeOld, timeNow;

int numRot = 0;

int stateDiv = 0;

int stateDiv2 = 0;

int numDiv = 0;

int num = 0;

void gpio_callback() {

timeNow = time_us_64();

rotTime = timeNow - timeOld;

timeOld = timeNow;

numRot++;

if(numRot >= Div ) numRot = 0;

}

void put_start_frame(PIO pio, uint sm) {

pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0u);

}

void put_end_frame(PIO pio, uint sm) {

pio_sm_put_blocking(pio, sm, ~0u);

}

void put_bgr888(PIO pio, uint sm, uint32_t c) {

pio_sm_put_blocking(pio, sm,

0x7 << 29 | // magic

(BRIGHTNESS & 0x1f) << 24 | // global brightness parameter

);

}

void core1_entry() {

PIO pio = pio0;

uint sm = 1;

uint offset = pio_add_program(pio, &apa102_mini_program);

apa102_mini_program_init(pio, sm, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK1, PIN_DIN1);

while (true) {

if(stateDiv2 == 1){

put_start_frame(pio, sm);

for (int i = 0; i < N_LEDS; ++i) {

put_bgr888(pio, sm, color[num]);

}

put_end_frame(pio, sm);

stateDiv2 = 0;

}

int main() {

stdio_init_all();

gpio_set_irq_enabled_with_callback(22, GPIO_IRQ_EDGE_RISE, true, &gpio_callback);

multicore_launch_core1(core1_entry);

PIO pio = pio0;

uint sm = 0;

uint offset = pio_add_program(pio, &apa102_mini_program);

apa102_mini_program_init(pio, sm, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK0, PIN_DIN0);

while (true) {

if(stateDiv == 1 && time_us_64() - timeOld > rotTime / Div * (numDiv)){

stateDiv = 0;

}

if(stateDiv == 0 && time_us_64() - timeOld < rotTime / Div * (numDiv + 1)){

stateDiv = 1;

stateDiv2 = 1;

put_start_frame(pio, sm);

for (int i = 0; i < N_LEDS; ++i) {

put_bgr888(pio, sm, color[num]);

}

put_end_frame(pio, sm);

numDiv++;

if(numDiv >= Div ) numDiv = 0;

num++;

if(num > 1 ) num = 0;

}

しかし、

デュアルコアでの１周の分割数の向上は確認できませんでした。。。
core1でのLED点灯制御は確実にできていると思うのですが。

core1の動かし方に何か問題があるのでしょうか？

参考

画像表示

浮世絵を表示してみました。
シングルでもデュアルでも１周240分割以上にすると表示がおかしくなります。

シングルコア

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デュアルコア

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おわりに

ここではRaspberry Pi Picoを用いて狭ピッチLEDバーサライタを製作しました。
高解像表示を目指しましたがデュアルコアによる向上は達成されませんでした。

しかしLED 127個で１周 240分割は過去最大の分解能ですので、ひとまず嬉しいです。

デュアルコアはについては引き続き勉強します。なにか間違ってるかもしれません。

それでは次の道でお会いしましょう！

追記

回転検出部を別コア化(2021/2/17)

以下のブログでPIOで別ステートマシンでのLED制御がすでに並列処理されているために、
デュアルコアによる表示解像度の向上がなかったことがわかりました。

Raspberry Pi Pico バーサライタで PIO を考えるーRaspberry Pi Picoへの道8ー

そこでステートマシンでの並列処理については理解できたので、LED制御と回転計測をデュアルコアで試してみました。

以下のようにcore0で回転計測、core1でPIOのステートマシン２個でLED(64セル、63セル)を制御してみます。

#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pio.h"
#include "apa102.pio.h"
#include "pico/multicore.h"

#define PIN_CLK0 2
#define PIN_DIN0 3
#define PIN_CLK1 14
#define PIN_DIN1 15

#define N_LEDS 64
#define Div 240

#define SERIAL_FREQ (30 * 1000 * 1000 )

// Global brightness value 0->31
#define BRIGHTNESS 1

uint32_t color[] ={
    0xFF0000,
    0x00FF00,
    0x0000FF,
    0x00FFFF
};

unsigned long rotTime, timeOld, timeNow;
int numRot = 0;

int stateDiv = 0;
int numDiv = 0; 
int num = 0;

void gpio_callback() {
    timeNow = time_us_64();
    rotTime = timeNow - timeOld;
    timeOld = timeNow;
    
    numRot++;
    if(numRot >= Div ) numRot = 0;
}

void put_start_frame(PIO pio, uint sm) {
    pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0u);
}

void put_end_frame(PIO pio, uint sm) {
    pio_sm_put_blocking(pio, sm, ~0u);
}

void put_bgr888(PIO pio, uint sm, uint32_t c) {
    pio_sm_put_blocking(pio, sm,
                        0x7 << 29 |                   // magic
                        (BRIGHTNESS & 0x1f) << 24 |   // global brightness parameter
                        c
    );
}


void core1_entry() {
    PIO pio = pio0;
    uint sm0 = 0;
    uint sm1 = 1;
    uint offset = pio_add_program(pio, &apa102_mini_program);
    apa102_mini_program_init(pio, sm0, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK0, PIN_DIN0);
    apa102_mini_program_init(pio, sm1, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK1, PIN_DIN1);

    while (true) {
        if(multicore_fifo_pop_blocking() == 1){
            put_start_frame(pio, sm0);
            put_start_frame(pio, sm1);
            for (int i = 0; i < N_LEDS; ++i) {
                put_bgr888(pio, sm0, color[num]);
                put_bgr888(pio, sm1, color[num]);
            }
            put_end_frame(pio, sm0);
            put_end_frame(pio, sm1);
        }
    }
}

int main() {
    stdio_init_all();
    gpio_set_irq_enabled_with_callback(22, GPIO_IRQ_EDGE_RISE, true, &gpio_callback);

    multicore_launch_core1(core1_entry);

    while (true) {
        if(stateDiv == 1 && time_us_64() - timeOld > rotTime / Div * (numDiv)){
            stateDiv = 0;
        }

        if(stateDiv == 0 && time_us_64() - timeOld < rotTime / Div * (numDiv + 1)){
            stateDiv = 1;
            multicore_fifo_push_blocking(stateDiv);

            numDiv++;
            if(numDiv >= Div ) numDiv = 0;

            num++;
            if(num > 3 ) num = 0;
        }
    }
}

100

101

102

103

104

#include <stdio.h>

#include "pico/stdlib.h"

#include "hardware/pio.h"

#include "apa102.pio.h"

#include "pico/multicore.h"

#define PIN_CLK0 2

#define PIN_DIN0 3

#define PIN_CLK1 14

#define PIN_DIN1 15

#define N_LEDS 64

#define Div 240

#define SERIAL_FREQ (30 * 1000 * 1000 )

// Global brightness value 0->31

#define BRIGHTNESS 1

uint32_t color[] ={

0xFF0000,

0x00FF00,

0x0000FF,

0x00FFFF

};

unsigned long rotTime, timeOld, timeNow;

int numRot = 0;

int stateDiv = 0;

int numDiv = 0;

int num = 0;

void gpio_callback() {

timeNow = time_us_64();

rotTime = timeNow - timeOld;

timeOld = timeNow;

numRot++;

if(numRot >= Div ) numRot = 0;

}

void put_start_frame(PIO pio, uint sm) {

pio_sm_put_blocking(pio, sm, 0u);

}

void put_end_frame(PIO pio, uint sm) {

pio_sm_put_blocking(pio, sm, ~0u);

}

void put_bgr888(PIO pio, uint sm, uint32_t c) {

pio_sm_put_blocking(pio, sm,

0x7 << 29 | // magic

(BRIGHTNESS & 0x1f) << 24 | // global brightness parameter

);

}

void core1_entry() {

PIO pio = pio0;

uint sm0 = 0;

uint sm1 = 1;

uint offset = pio_add_program(pio, &apa102_mini_program);

apa102_mini_program_init(pio, sm0, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK0, PIN_DIN0);

apa102_mini_program_init(pio, sm1, offset, SERIAL_FREQ, PIN_CLK1, PIN_DIN1);

while (true) {

if(multicore_fifo_pop_blocking() == 1){

put_start_frame(pio, sm0);

put_start_frame(pio, sm1);

for (int i = 0; i < N_LEDS; ++i) {

put_bgr888(pio, sm0, color[num]);

put_bgr888(pio, sm1, color[num]);

}

put_end_frame(pio, sm0);

put_end_frame(pio, sm1);

}

int main() {

stdio_init_all();

gpio_set_irq_enabled_with_callback(22, GPIO_IRQ_EDGE_RISE, true, &gpio_callback);

multicore_launch_core1(core1_entry);

while (true) {

if(stateDiv == 1 && time_us_64() - timeOld > rotTime / Div * (numDiv)){

stateDiv = 0;

}

if(stateDiv == 0 && time_us_64() - timeOld < rotTime / Div * (numDiv + 1)){

stateDiv = 1;

multicore_fifo_push_blocking(stateDiv);

numDiv++;

if(numDiv >= Div ) numDiv = 0;

num++;

if(num > 3 ) num = 0;

}

結果としましては大きな分解能向上はありませんでした。
１周 240分解能がギリギリ260分割できそうになるくらいの変化でした。

ステートマシンが完全に並列処理できていて、回転が470rpm、SPI信号が30MHzの場合、理論分解能値はだいたい
　30MHz ÷ (32bit × 64セル + 64bit) × 60sec ÷ 470rpm = 1813分割
ですので、SPIクロックが遅すぎることはないようです。

まだまだデータ転送方法など工夫次第で高解像度化できそうですが、とにかくPIOは素晴らしいということがわかりました。

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SPI複数出力

Cコード

PIO

狭ピッチバーサライタ

構成

動作

デュアルコア制御

Cコード

参考

画像表示

シングルコア

デュアルコア

おわりに

追記

回転検出部を別コア化(2021/2/17)

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