XMOS (イベント駆動・並列スレッド)プログラミング（１）

１．ボタンLEDを光らせる

1.1 プログラムを作る

ボタンのLEDを光らせるプログラムは次のようになっていた。

　　#include<platform.h>
　　out port bled = PORT_BUTTONLED;
　　int main() {
　　　　bled <: 0x1;
　　　　while(1)
　　　　　　;
　　　　return 0;
　　}

このプログラムは、次のようになっている。

２行目の

out port bled = PORT_BUTTONLED;

はポート変数bledを定義定義したもので、ここでは、汎用のポート識別子PORT_BUTTONLEDで初期化される。

XC-5.xnファイルが、PORT_BUTTONLEDをXS1_PORT_4Eにマップする。ここで4Eは、４ビットのピンを表し、４個のボタンLEDに対応する。

ポートはピンとプロセッサの間でのデータの授受に使われる。従って、プロセッサと外部要素とのインタフェースとして機能する。

また、ポートはグローバル変数として宣言されなければならない。

mainの中での最初の命令文

bled <: 0x1;

は、

return 0;

は決して実行されることがない。

1.2 課題

bledの値を0x1から０ｘFまで変えて、bledとLEDの関係を表で示しなさい。

２．クロックLEDを光らせる。

2.1 クロックLED

クロックLEDとして、赤と緑のLEDが対となったものが１２個用意されている。

これらLEDのアノード（陽極）は３個の４ビットポートに接続されている。

それらポートは4A,4B,4Cと名前が付けられており、プログラムの内部では、それらは識別子PORT_CLOCKLED_O/1/2で参照される。（ボタンLEDはポートは４Eで、識別子はPORT_BUTTONLED)。

2.2 緑と赤の選択

緑のLEDのカソード（陰極）は、1ビットポートに接続され、これは1Eの名前が付けられている。

赤も同様で、1Fと名のついたポートを持っている。

これらのポートは、識別子PORT_CLOCKLED_SELG, PORT_CLOCKLED_SELRでプログラムにより参照される。

2.3 問題

次のプログラムはどのLEDを光らせるか考えなさい。

#include <platform.h>
out port cled0 = PORT_CLOCKLED_0;
out port cledG = PORT_CLOCKLED_SELG;
out port cledR = PORT_CLOCKLED_SELR;
int main(void) {
　　cledG <: 0; // disable GREEN line
　　cledR <: 1; // enable RED line
　　cled0 <: 0x1; // LED pattern
　　while (1);
　　return 0;
}

2.4 課題

すべての緑色のLEDを光らせるにはどうしたらよいか。プログラムを作成し、実行して検証しなさい。

３．タイマーを使って、LEDを点滅させる

3.1 タイマーの使い方

次はタイマーを用いるときの典型的な命令文である。

timer tmr;
tmr :> t;

でtmrと呼ばれるタイマーtmrを定義し、tmrの時刻を変数tに入力する。

次にある一定の時間(FLASH_PERIOD)が経った後に、イベントが生じるようにするためには次のようにする。

t += FLASH_PERIOD;
tmr when timerafter(t) :> void;

まず、tに一定時間加える。timeafter(t)は、tmrがtより大きくなったときイベントが発生し、tmr :> void;　が実行される。なお、このとき、tmrの時間を入力するように完結した命令文にする必要があるが、実際には、どこにも代入する必要がないのでvoidが用いられている。

次のプログラムを実行してみる。

#include <platform.h>
#define FLASH_PERIOD 20000000
out port cled0 = PORT_CLOCKLED_0;
out port cledG = PORT_CLOCKLED_SELG;
out port cledR = PORT_CLOCKLED_SELR;
int main(void) {
　　timer tmr;
　　unsigned ledGreen = 1;
　　unsigned t;
　　tmr :> t;
　　while (1) {
　　　　cledG <: ledGreen;
　　　　cledR <: !ledGreen;
　　　　cled0 <: 0x1;
　　　　t += FLASH_PERIOD;
　　　　tmr when timerafter(t) :> void;
　　　　ledGreen = !ledGreen;
　　}
　　return 0;
}

3.2 課題

FLASH_PERIODの時間を徐々に減らしてみる。赤と緑のLEDの色が混ざりオレンジ色となるのを確認すること。

４．LEDを点滅させるとともに走らせる

4.1 説明

複数の入力イベントを有し、イベントが発生したところから、その入力に対する処理を行うプログラムを作成することとする。いま、LEDは、一方で点滅し、他方で、時計方向に回転しているとする。点滅の間隔とLEDを一つ進める間隔は異なっているとし、それぞれの間隔が来たときに点滅、一つ進めるの作業を行うものとする。

この種の作業のために設けられているのが、select文である。この文は、通常

select {
　case
　...
　breek;
　case
　...
　break
}

という形をとる。例えば、タイマーtmfFが設定された時間timeFを超えた時にLEDを点滅させ、と、タイマーtmfCが設定された時間timeCを超えた時にLEDを一つ進めるプログラムは、

select {
　case tmrF when timerafter(timeF) :> void;
　// 点滅
　...
　breek;
　case tmrC when timerafter(timeC) :> void;
　//　一つ進める
　...
　break
}

4.2 プログラム

プログラムを完成させると次のようになる。

#include <platform.h>
#define FLASH_PERIOD 10000000
#define CYCLE_PERIOD 60000000
out port cled0 = PORT_CLOCKLED_0;
out port cled1 = PORT_CLOCKLED_1;
out port cled2 = PORT_CLOCKLED_2;
out port cledG = PORT_CLOCKLED_SELG;
out port cledR = PORT_CLOCKLED_SELR;
int main(void) {
　　unsigned ledOn = 1;
　　unsigned ledVal = 1;
　　timer tmrF, tmrC;
　　unsigned timeF, timeC;
　　tmrF :> timeF;
　　tmrC :> timeC;
　　while (1) {
　　　　select {
　　　　　　case tmrF when timerafter(timeF) :&gt; void :
　　　　　　　　ledOn = !ledOn;
　　　　　　　　cledG <: ledOn;
　　　　　　　　timeF += FLASH_PERIOD;
　　　　　　　　break;
　　　　　　case tmrC when timerafter(timeC) :&gt; void :
　　　　　　　　cled0 <: ledVal;
　　　　　　　　cled1 <: (ledVal >> 4);
　　　　　　　　cled2 <: (ledVal >> 8);
　　　　　　　　ledVal <<= 1;
　　　　　　　　if (ledVal == 0x1000)
　　　　　　　　　　ledVal = 1;
　　　　　　　　timeC += CYCLE_PERIOD;
　　　　　　　　break;
　　　　}
　　}
　　return 0;
}

4.3 問題

このプログラムを詳しく説明しなさい。

4.4 課題

反時計回りにするにはどうしたらよいか？プログラムを示しなさい。

５．スレッドによる並列処理（LEDの点滅回転とボタンを押してのスピーカー音)

5.1 説明

２つの処理を並列に行うことを考える。一つはLEDを点滅させながら回転させることであり、他の一つはボタン（一つでも複数でも良い）を押すとスピーカーから音が出てくるものである。このような並列処理は次のようなプログラムで実現される。

par {
cycleLED(cled0, cled1, cled2,
cledG, cledR);
buttonListener(buttons, speaker);
}

cycleLEDのプログラムは、先に出てきたプログラムを修正したものである。

buttonListenerのプログラムは、ボタンが押されたかどうかの判断はwhen pinsneq(0xf)によりなされることを利用して、ボタンが押されている間は、スピーカに断続的な信号を送る様にする。

5.2 プログラム

#include <platform.h>
#define TDELAY 100000
#define TLENGTH 500
void buttonListener(in port b, out port spkr) {
　　timer tmr;
　　int t, isOn = 1;
　　while (1) {
　　　　b when pinsneq(0xf) :> void;
　　　　tmr :> t;
　　　　for (int i=0; i<TLENGTH; i++) {
　　　　　　isOn = !isOn;
　　　　　　t += TDELAY;
　　　　　　tmr when timerafter(t) :> void;
　　　　　　spkr <: isOn;
　　　　}
　　}
}

#define FLASH_PERIOD 10000000
#define CYCLE_PERIOD 60000000
int cycleLED(out port cled0, out port cled1, out port cled2, out port cledG, out port cledR) {
　　unsigned ledOn = 1;
　　unsigned ledVal = 1;
　　timer tmrF, tmrC;
　　unsigned timeF, timeC;
　　tmrF :> timeF;
　　tmrC :> timeC;
　　while (1) {
　　　　select {
　　　　　　case tmrF when timerafter(timeF) :> void :
　　　　　　　　ledOn = !ledOn;
　　　　　　　　cledG <: ledOn;
　　　　　　　　timeF += FLASH_PERIOD;
　　　　　　　　break;
　　　　　　case tmrC when timerafter(timeC) :> void :
　　　　　　　　cled0 <: ledVal;
　　　　　　　　cled1 <: (ledVal >> 4);
　　　　　　　　cled2 <: (ledVal >> 8);
　　　　　　　　ledVal <<= 1;
　　　　　　　　if (ledVal == 0x1000)
　　　　　　　　　　ledVal = 1;
　　　　　　　　timeC += CYCLE_PERIOD;
　　　　　　　　break;
　　　　}
　　}
　　return 0;
}

in port buttons = PORT_BUTTON;
out port speaker = PORT_SPEAKER;
out port cled0 = PORT_CLOCKLED_0;
out port cled1 = PORT_CLOCKLED_1;
out port cled2 = PORT_CLOCKLED_2;
out port cledG = PORT_CLOCKLED_SELG;
out port cledR = PORT_CLOCKLED_SELR;
int main(void) {
　　par {
　　　　cycleLED(cled0, cled1, cled2, cledG, cledR);
　　　　buttonListener(buttons, speaker);
　　}
　　return 0;
}

６．スレッド間の通信(LEDの色を変える)

6.1 スレッド間通信

スレッドの間での通信は、必ず、チャネルを用いて行われる。共有メモリや共有データを用いて通信を行うと、資源へのアクセス競合が生じ、重大な問題を引き起こす可能性がある。チャネルを用いることでこれを避けることができる。

スレッドによる並列処理のプログラムを少し修正して、ボタンを押した時、スピーカーから音が出るだけでなく、LEDの色も変わる様にしたい。このとき、ボタンを押したという情報が、LEDを点滅回転させているスレッドに伝える必要がある。

そこで、ボタンを押した時、チャネルを通して信号が伝わるようにする。下のプログラムでは整数の０が送られるが値はあまり意味がない。ボタンを押した時、LEDを点滅させているスレッドに、チャネルを通して信号が送られてくるので、これを受けてLEDの色を変える。

mainのプログラムは、チャネルcを介して通信を行うので、次のようにプログラムを変更する。

　　par {
　　　　chan c;
　　　　cycleLED(cled0, cled1, cled2, cledG, cledR, c);
　　　　buttonListener(buttons, speaker, c);
　　}

となる。

buttonListenerはボタンが押された時チャネルに信号を送り出す。これは、

　　　　c <: 0;

で行われる。

cycleLED側では、ボタンが押された時、チャネルを介してイベントが発生するので

　　　　　　case c :> int :
　　　　　　　　isGreen = !isGreen;
　　　　　　　　break;

をプログラムの中に組み入れてあげればよい。

また、cycleLEDとbuttonListenerの関数では、チャネルの型はchanendとする。

6.2 プログラム

#include <platform.h>
#define TDELAY 100000
#define TLENGTH 500
void buttonListener(in port b, out port spkr, chanend c) {
　　timer tmr;
　　int t, isOn = 1;
　　while (1) {
　　　　b when pinsneq(0xf) :> void;
　　　　c <: 0;
　　　　tmr :> t;
　　　　for (int i=0; i<TLENGTH; i++) {
　　　　　　isOn = !isOn;
　　　　　　t += TDELAY;
　　　　　　tmr when timerafter(t) :> void;
　　　　　　spkr <: isOn;
　　　　}
　　}
}

#define FLASH_PERIOD 10000000
#define CYCLE_PERIOD 60000000
int cycleLED(out port cled0, out port cled1,　out port cled2, out port cledG,　out port cledR, chanend c) {
　　unsigned ledOn = 1;
　　unsigned ledVal = 1;
　　timer tmrF, tmrC;
　　unsigned timeF, timeC;
　　int isGreen = 1;
　　tmrF :> timeF;
　　tmrC :> timeC;
　　while (1) {
　　　　select {
　　　　　　case tmrF when timerafter(timeF) :> void :
　　　　　　　　ledOn = !ledOn;
　　　　　　　　if (isGreen) {
　　　　　　　　　　cledG <: ledOn;
　　　　　　　　　　cledR <: 0;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　if(!isGreen) {
　　　　　　　　　　cledR <: ledOn;
　　　　　　　　　　cledG <: 0;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　timeF += FLASH_PERIOD;
　　　　　　　　break;
　　　　　　case tmrC when timerafter(timeC) :&gt; void :
　　　　　　　　cled0 <: ledVal;
　　　　　　　　cled1 <: (ledVal &gt;&gt; 4);
　　　　　　　　cled2 <: (ledVal &gt;&gt; 8);
　　　　　　　　ledVal <<= 1;
　　　　　　　　if (ledVal == 0x1000)
　　　　　　　　　　ledVal = 1;
　　　　　　　　timeC += CYCLE_PERIOD;
　　　　　　　　break;
　　　　　　case c :> int :
　　　　　　　　isGreen = !isGreen;
　　　　　　　　break;
　　　　}
　　}
　　return 0;
}

in port buttons = PORT_BUTTON;
out port speaker = PORT_SPEAKER;
out port cled0 = PORT_CLOCKLED_0;
out port cled1 = PORT_CLOCKLED_1;
out port cled2 = PORT_CLOCKLED_2;
out port cledG = PORT_CLOCKLED_SELG;
out port cledR = PORT_CLOCKLED_SELR;
int main(void) {
　　chan c;

　　par {
　　　　cycleLED(cled0, cled1, cled2, cledG, cledR, c);
　　　　buttonListener(buttons, speaker, c);
　　}
　　return 0;
}

6.3 問題

プログラムでは、次のようになっている。

　　　　　　　　if (isGreen) {
　　　　　　　　　　cledG <: ledOn;
　　　　　　　　　　cledR <: 0;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　if(!isGreen) {
　　　　　　　　　　cledR <: ledOn;
　　　　　　　　　　cledG <: 0;
　　　　　　　　}

これを、次のように変えたとする。

　　　　　　　　if (isGreen) {
　　　　　　　　　　cledG <: ledOn;
　　　　　　　　}
　　　　　　　　if(!isGreen) {
　　　　　　　　　　cledR <: ledOn;
　　　　　　　　}

LEDの振舞いがどのように変わるか、実際に動作させて、調べなさい。