普段使っているArduino UNOに搭載されたATmega328というMCUは、旧ATMEL社のmegaシリーズ型番#328と言う意味です。
ATmega328も28DIP(Dual Inline Package 28 pin)ということで、十分小さいのですが、328duinoの様に170穴ミニブレッドボード1枚に載せようとすると、ブレッドボード上17列しかない穴の14列をATmega328が占めてしまって、外部回路を構築するスペースが確保できず、苦労します(下図がその例)。
上左図はミニブレッドボードに押し込んだUNOの互換機(328duino(第一形態))で25MHzまでクロックアップ可能な機体、上右図はミニブレッドボードに押し込んだ赤外線リモコン化328duinoです。いずれも、ちょっとした外部回路しかついていないのですが、無理をしてギチギチに詰め込んでいます。
もっと小さく🐜使えるMCUは無いものか？
ATmega328だって、28DIP、Flash 32Kバイト、RAM 2Kバイトと、十分小さいのですが、にもかかわらず、mega(巨大な)という名を冠しているわけです。mega(巨大な)があれば、対応するtiny(とても小さい)MCUシリーズも存在しています。
今回入手したのは、そんなMCUシリーズの中からATtiny2313というMCUです(下図)。
ATtiny2313のデータシートを検索する(別ウインドウが開きます)
簡単に仕様をまとめておきます(↓)。
| ATtiny2313 | ||
| 項目 | 概要 | 備考 |
| MCU | ATtiny2313A-PU @4〜20[MHz] |
内蔵RC発振器8MHzでの動作が基本。 外部発振器を接続すると、20MHz動作可能。 |
| CPU | 8ビットRISC AVRコア |
ATmega328と同じAVRコア。 いくつかサポートの無い命令が存在する。 |
| Flash | 2Kバイト | 2Kバイトしかないので、ブートローダ領域は無い。 |
| RAM | 128バイト | 128Kバイトではなくて、128バイト。とても小さい。 |
| EEPROM | 128バイト |
同上、RAMと同じサイズって……。 RAMの方が小さすぎるのだけど……。 |
| PKG | 20DIP | 端子機能表は後ほど掲載。 |
| 電源・I/O | 1.8〜5.5[V] | ATmega328と同様、電圧-fMAX規定がある。 |
| I/Oユニット |
8 bit Timer TC0 16 bit Timer TC1 Analog Comparator USI (Universal Serial Interface) USART |
4本のPWM出力。 AD変換器は非搭載。 アナログ比較ユニットがある。 USIでSPI、I2C通信が可能。 USARTハードウェアシリアルも搭載。 |
28DIPのATmega328P-PUに対して、こちらは20DIPなので、端子数にして8本、ブレッドボードの占有列数にして4列分コンパクトに使うことが出来ます。Flash 2Kバイトなので、ブート領域がありません(↓)。
UNOのブートローダ：
てな訳で、ATtiny2313への書き込みは、ISP(In System Programmer、書き込み装置)を使ったシリアルプログラミング(SPI通信)が基本です。Arduino UNO等をISPとして使い、ArduinoISP.ino等で書き込むことになります。後ほど、書き込み方を説明します。
シリアルプログラミング(ISP)という事は、Arduino IDEの「1発コンパイル＆書き込み」ボタン(下図)では書き込むことが出来ないのだけど、とは言っても、ATtiny用のボードをIDEに追加しておかないと、コンパイルすらできないので、まずはボードを追加します。
Arduino IDEを起動して、「ファイルメニュー ⇒ 環境設定」を選択すると、以下の様なウインドウ「環境設定」が表示されます。
「追加のボードマネージャのURL：」欄右端のボタンを押して、「追加のボードマネージャのURL」ウインドウが開いた状況が上図です。こっちのウインドウの「クリックして非公式〜」の文字列部分がクリックできるようになっているので、クリックしてください。
WEBブラウザが開いて、非公式ボードの一覧が表示されるので、この中から「ATtiny」や「ATtiny2313」等のキーワードで適切なボードを調べて、そこに記載されたURL「http〜.json」をコピーし、「追加のURL」欄に貼り付けます。
本ページではATTinyCoreというボードパッケージを使いました。URLは上図の通り。他のパッケージを使うと、以下の解説と異なる内容があるかもしれませんので、ご注意ください。
これ(↑)だけだと、まだボードの追加は完了していません。
「ツールメニュー ⇒ ボード ⇒ ボードマネージャ」を開き、「ATTinyCore」で検索すると、上で追加したボードが見つかるので、適切なバージョンを選択して「インストール」してください。これで追加完了です。要らなくなったら、ここで「削除」もできます。
試しにUNO用に作った小さめのプログラムをコンパイルしてみたのですが、ほとんどのプログラムはコンパイル失敗でした……。
試してみたこと：
「失敗」と言うのは正しくないかな？コンパイル自体は、正常に終了します。素晴らしいです。しかし、ほとんどのプログラムが「スケッチが大きすぎます」と言うエラーになります(↓)。
|
Arduino：1.8.11 (Windows 10), ボード："ATtiny2313(a)/4313 (No bootloader), Enabled, ATtiny2313/ATtiny2313A, 8 MHz (internal), EEPROM retained, B.O.D. Disabled (saves power), no, Enabled, Port A (pins 2,3,17)" 最大2048バイトのフラッシュメモリのうち、スケッチが3958バイト（193%）を使っています。 最大128バイトのRAMのうち、グローバル変数が317バイト（247%）を使っていて、ローカル変数で-189バイト使うことができます。 text section exceeds available space in board スケッチが大きすぎます。http://www.arduino.cc/en/Guide/Troubleshooting#size には、小さくするコツが書いてあります。 ボードATtiny2313(a)/4313 (No bootloader)に対するコンパイル時にエラーが発生しました。 |
上のエラーメッセージの例だと、Flash 2Kバイトに対して約4Kバイトになっているし、RAM 128バイトに対して317バイト必要、と言うことで、Flash／RAM共、全く足りていません。小さ目なプログラムを選んだつもりでしたが、ATtiny2313にとっては、まだまだ大きかった様です。
そこで、ライブラリの物量をチェックしてみました。
まず、中身が空っぽのプログラムを用意します(↓)。
void setup (void)
{ // empty
}
void loop (void)
{ // empty
}
これをコンパイルして、メモリ(Flash／RAM)使用量をメモします。これをベースに、「ツールメニュー」のATtiny2313に関するオプションを変えてみたり、Serialライブラリを使用したり、Wireライブラリを使用したりするコードを追加して、Flash／RAMの物量を調べました。
| condition | Flash | RAM | memo |
| ATtiny2313_default | 236 | 9 |
2313を選択したデフォルト状態 空のsetup()、loop()関数 |
| init 2nd timer | 240 | 9 | ATtiny2313_defaultに対して2nd timerを有効化 |
| millis disable | 66 | 0 | ATtiny2313_defaultに対してmillis()関数を無効化 |
| Serial "hello, world" | 1,096 | 92 |
ATtiny2313_defaultに対して Serialライブラリを使った"hello, world" |
| Wire "hello, world" | 964 | 64 |
ATtiny2313_defaultに対して Wireライブラリを使った"hello, world" |
| sprintf "hello, world" | 308 | 23 |
ATtiny2313_defaultに対して sprintf()関数を使った"hello, world" |
評価に使用したプログラムをリンクしておきます。
評価用プログラム：tiny_test.ino
「hello, world」等のコードはプログラム先頭付近の「#define」マクロで選択可能にしてあります(↓)。
//#define USE_SERIAL
//#define USE_WIRE
//#define USE_SPRINTF
//#define APLI_FIREFLY
4つの#defineの内、必要な物のコメントだけを外してコンパイルして、メモリ使用量をメモしました。
雑感：
判ったことは、Serialライブラリの物量が大きいという事です。Serialライブラリを使った時点で、Flash容量の半分以上、RAM容量の70%以上を持って行かれます。本HPのUNO用プログラムのほとんどはSerialライブラリを使い、デバッグ用のコマンドや表示をハンドリングしているので、コンパイルしても容量不足となってしまったのでしょう。
解析と言っても、さらっとコードを眺めてみただけです（１＾＾；）。「ATTinyCoreで何ができるのだろう？」と言うのが興味の対象です。ATTinyCoreのインストールパッケージは以下の場所にあります。
<User>\AppData\Local\Arduino15\packages\ATTinyCore\
<User>は、Windowsのユーザディレクトリです。ユーザ名やWindowsエディションによって、若干パスが異なる場合があります。<User>\AppDataは通常、不可視ディレクトリなので、エクスプローラなどからは見えていません。不可視属性のファイル／ディレクトリを表示する設定に変更して辿ってください。
以下の様なことが判りました。
| Port | DIP | ATtiny2313 | DIP | Port |
| D17(PA2/PCINT10/RESET/dW) | 1 | ● | 20 | VCC |
| D0(PD0/PCINT11/RXD) | 2 | 19 | D16(PB7/USCK/SCL/SCK/PCINT7) | |
| D1(PD1/PCINT12/TXD) | 3 | 18 | D15(PB6/MISO/DO/PCINT6) | |
| D2(PA1/PCINT9/XTAL2) | 4 | 17 | D14(PB5/MOSI/DI/SDA/PCINT5) | |
| D3(PA0/PCINT8/CLKI/XTAL1) | 5 | 16 | D13(PB4/OC1B/PCINT4) | |
| D4(PD2/PCINT13/CKOUT/XCK/INT0) | 6 | 15 | D12(PB3/OC1A/PCINT3) | |
| D5(PD3/PCINT14/INT1) | 7 | 14 | D11(PB2/OC0A/PCINT2) | |
| D6(PD4/PCINT15/T0) | 8 | 13 | D10(PB1/AIN1/PCINT1) | |
| D7(PD5/PCINT16/OC0B/T1) | 9 | 12 | D9(PB0/AIN0/PCINT0) | |
| GND | 10 | 11 | D8(PD6/ICPI/PCINT17) |
※D#は、Arduino IDEのデジタル端子番号。
※1ピンはRESET端子として割り当てておかないと、シリアルプログラミングモードで書き込みできない。
お試しにATtiny2313で実行できるような小さな(シリアルモニタを使わない)アプリケーションって、何かなかったかな？と過去記事を漁ったところ、「#4-6 LEDキャンドル」なんて良いんじゃないの？と、思ったのだけど、ダメ、でした。1/fゆらぎ乱数列4,096点分のデータが4Kバイトにもなり、ATtiny2313のFlashには半分も載りません。アララ……。
1/fゆらぎ乱数列のデータ数を間引いて、ATtiny2313に載るように工夫することも可能だろうけど、それはまた別なテーマとします。
※「#14-6 暗くなったら蝋燭を灯して」にて、ATtiny2313を使ったLEDキャンドルを作りました。ご確認ください。
今回は、ATtiny2313の内蔵プルアップ抵抗で明滅させる「蛍の様なLED」を作って見ようと思います。
蛍の様な明滅をさせるためにsin()関数を使ったところ、Flashが足りなくなりました。float型の演算ルーチンと、float型数学関数のコードサイズがかなり大きいみたいです。止むを得ず、uint8配列128個を使った整数型のテーブル(uint8 sin_tab[128])を使いました。128個なら128バイトなので、float型の物量に比べればかわいいものです。
あと、どうも16ビットタイマ(TC1)がToneライブラリ用に初期化されているみたいで、PWMが出力されませんでした。setup()関数に以下の記述を追加して、TC1をPWM出力可能な設定に変更しました。
// TC1 setting
// pwm phase correct 8 bit mode 1, fcpu/64
TCCR1A=0x01;
TCCR1B=0x03;
※「ツールメニュー ⇒ Initialize Secondary Timers」の設定が関係するのではないか？と思いましたが、yes／noどちらでもPWM出力できませんでした。
setup()関数内で上の設定をしておきさえすれば、その後は普通にanalogWrite()関数でPWM出力を制御できます。TC1が出力するI/Oポートはこちらを参照して、D12(OC1A)とD13(OC1B)が対象です。
完成したプログラムをリンクしておきます。
完成プログラム：tiny_test.ino
先頭付近の#defineを以下の様にしてコンパイル＆書き込みしてください。コンパイル＆書き込みの方法については、次節で解説します。
//#define USE_SERIAL
//#define USE_WIRE
//#define USE_SPRINTF
#define APLI_FIREFLY
手元の環境では、Flash 1,262バイト、RAM 9バイトを要しました。大したプログラムでもないのに、Flashは半分以上を使っています。どのプログラムでも、ちょっとした関数を呼ぶとFlashの半分は埋まってしまうので、共通して使用される何らかのコードサイズが既に1Kバイト程度存在している、と考えるのが自然ですね。
ATtiny2313へArduino IDEからプログラムを書き込むには、別途、Arduino UNO等の機体が必要です。例えばUNOを「Arduino as ISP」として使って、ATtiny2313へ書き込みます。以下に手順を示します。
手元の環境では、「スケッチメニュー ⇒ 書込装置を使って書き込む」がエラーになって書き込みできませんでした。Arduino IDEの書き込みツール(avrdude)が「attiny2313aなんて知らないよ」ってエラーでした。理由は解りません(※)が、以下の様に修正したところ、正常に書き込み出来るようになりました。
修正するファイル：
<User>\AppData\Local\Arduino15\packages\ATTinyCore\hardware\avr\1.4.1\
boards.txt
修正内容：
attinyx313.menu.chip.2313.build.mcu=attiny2313a
↓
attinyx313.menu.chip.2313.build.mcu=attiny2313
最後の"a"を消してセーブしたら、Arduino IDEを一旦閉じて再度起動してください。
※使用中のArduino IDE 1.8.11に含まれる書き込みツールavrdudeのバージョンが古いのか？／合っていないのか？
UNOからATtiny2313へ書き込む時の接続表を示します。
| UNO | 接続 | ATtiny2313 | |
| 5V | → | 20 | VCC |
| GND | ⇔ | 10 | GND |
| D10 | → | 1 | RESET |
| D11(MOSI) | → | 17 | D14(MOSI) |
| D12(MISO) | ← | 18 | D15(MISO) |
| D13(SCK) | → | 19 | D16(SCK) |
※ATtiny2313端子名左の数字は20DIPのピン番号です。生のMCUをブレッドボードに挿して使うので、Arduinoのピン番号(D14等)よりも、20DIPのピン番号で記した方が使い易いと思います。
UNOをISPとして使って、ATtiny2313へ書き込み中の様子は下図の様になります。
「スケッチメニュー ⇒ 書込装置を使って書き込む」がボタンに割り当たっていないため、一々メニューから選ばないとならないのが難点ですが、それ以外はUNOでのプログラミングと変わりません。アプリケーションでSPI端子を使わないのであれば、上図の様に繋ぎっぱなしでデバッグすることができます。
ATtiny2313にも、ATmega328と同じ様にヒューズが入っています。購入したままのATtiny2313は、工場出荷時設定のままでクロックが1MHz動作になっているなど、ATTinyCoreの環境と合っていません。ATTinyCoreを使って開発を続けるためには、少なくとも1回、以下の手順に従ってヒューズの書き込みを実行する必要があります。
ATtiny2313へのヒューズ書き込みは、Arduino IDEの「ツールメニュー ⇒ ブートローダを書き込む」で書き込むことが出来ます。書き込み可能なヒューズ値は、以下の通りです。
3つの項目だけですが、実際、個別に書き込みが必要なパラメータは、この3つで充足しています。メニューから設定したい項目を選んで、「ツールメニュー ⇒ ブートローダを書き込む」を実行するだけです。何を設定して良いかわからない場合には、とりあえずデフォルトのまま(上図がデフォルト)で書き込みを実施してください。
以下にヒューズ書き込み手順を示しておきます。
なお、「ツールメニュー ⇒ ブートローダを書き込む」を実行すると、ATtiny2313のFlashに書き込まれていたプログラムは消去されます。たぶんChip Eraseなので、「EEPROM not retained」に設定されていた場合には、EEPROMの内容も消去されます(EEPROM未使用のため未確認)。
前節の作業でプログラム(tiny_test.ino)を書き込んだATtiny2313を使って、以下の回路をブレッドボードに構築します。
デバッグ中は、ISP端子(RES，SCK，MISO，MOSI)を繋ぎっぱなしにできるよう、リザーブしておきました。
ATtiny2313の内蔵プルアップ抵抗で制限された電流を使って4つのLEDを明滅させるので、とても暗いです。データシートによると、プルアップ抵抗値Rpu＝20〜50[kΩ]ですので、Vf≒2VのLEDとVcc＝5Vで動作させたとして、流せる電流値＝(Vcc−Vf)/Rpu≒60〜150[μA]であり、明るいはずがありません。
ただ、LEDの発光色によって、同じ電流値でも明るさが異なりますので、なるべく明るく光るLEDを選ぶのが吉です。手持ちの部品では、緑色や白色の方が、赤色や青色LEDよりも明るく光りました。
実験中の様子を下図に示します。
4つのLEDが蛍の様に明滅するはずです。すべて異なる周期で明滅させているので、4匹の蛍がブレッドボードに止まっているみたいじゃありませんか？……ちょっと、色が蛍っぽくないかな……。
※本物の蛍が複数匹近くにいると、明滅のタイミングが揃っていくらしいです。今回のプログラムでは、4個の明滅周期をわざと変えているので、バラバラに明滅します。
電源はeneloop(1.2V)×4本≒4.8Vを使いました。ちょうど良い感じの明るさで明滅しています。
まずはめでたく、ATtiny2313にArduino IDEからプログラムを書き込んで、思い通りに動かせることを確かめられました。良かった。
問題はメモリの少なさ、ですね。結局、Flash 2Kバイト、RAM 128バイトでどこまでできるのでしょうか？
ATtiny2313は20ピンの内、電源(VCC，GND)で取られるのは2本だけなので、残り18本ものI/Oポートを使えるのですが、それを使いこなそうとすると、あまりにメモリが少ない。ちょっと、I/Oポート数とメモリ容量のバランスが取れていない様に感じます。
限られたリソースを如何に効率よく使ってアプリケーションを成立させるか？って言うのもやりがいのあるテーマですので、機会を見つけて挑戦してみようと思います。
今回のお買い物は、以下の通りです。
追加購入したATmega328と一緒に購入しました。この金額だと、費用対効果は圧倒的にATmega328の方が優れていると思います。……I/Oポート数とメモリ容量のバランスも良いし、さすがUNOのメインMCUに選定されただけのことはあります。
あまりにメモリが少なくてデバッグにシリアルモニタが(ほぼ)使えないなど、かなり制限される分、腕の見せ所ですね……。メモリが足りないことで大規模なシステムは作れないので、腕を見せる前にシステムが成立しないかもしれませんけれど（１＾−＾；）。
