SCIの使い方（その１）
調歩同期式シリアル通信
シリアル通信は、非同期式（調歩同期式）と同期式（クロック同期式）とに大別することができる。
I2C通信は、クロック信号を持つ同期式のシリアル通信である。
調歩同期式のシリアル通信は、クロック信号を持たないシリアル通信方式である。RS-232Cが有名であり、PCの9ピンD-subコネクタは、RS-232C準拠の通信コネクタである。
MEMEsのSH7085は、シリアル通信のためのSCI(Serial Communication Interface)を内蔵している。SCIはレジスタ設定により、非同期式にも同期式にも使用することができる。
※１：一般的に使われるUART(Universal Asynchronous Receiver / Transmitter)やUSART(Universal Synchronous / Asynchronous Receiver / Transmitter)という言葉も覚えておくと良い。SCIはUSARTの一種である。
I2Cは、クロック信号のSCK、データのSDAの二本の信号を使って通信をしていた。一本だけのデータ信号線を、信号の向きを変えながら通信するので、半二重通信となる。
SCIの調歩同期式通信においては、データ線としてTxDとRxDの二本をもつ。よって、送信しながら受信もできる、全二重通信になる。
このように、SCIのTxD(送信データ)を相手のRxD(受信データ)に接続する。調歩同期式であるのでクロック信号は存在しない。
次に、SCIを用いた調歩同期式シリアル通信のデータフォーマットを示す。
この図では、0xb4をシリアル転送している。
無通信状態のとき、データ線はＨレベルである。
通信開始時にはスタートビットを送る。これは１ビット分の幅（時間）をもつＬレベルの信号で、受信側にデータ送信開始を知らせるものである。受信側はこれによりデータ受信を開始する。
続いて、データを８ビット（１バイト）分順次送信している。ここではLSBファーストとなっている。LSBファーストとMSBファーストがあり、I2CではMSBファーストであった。調歩同期式の場合、LSBファーストが主に用いられている。
データ送信が終わると、ストップビットとしてＨレベルを送り、１バイト分の送信が完了する。
設定によって、パリティビットを加えたり、ストップビットを２ビット幅とすることも可能である。
次の波形は、”ABCDEFG”を連続送信した時の実測波形である。
通信速度は38400bpsであり、波形上の二本のカーソル間が文字’Ａ’である。スタートビットを’S’、ストップビットを’P’と表示している。LSBファーストであることを考慮すると、データは2進数で0100_0001、16進数で0x41となり’A’であることが確認できる。
無通信状態の後、’A’のスタートビット→LSB→・・・→MSB→ストップビット（’A’の送信完了）→’B’のスタートビット→・・・と続いている。このように、連続送信した場合は文字と文字との間に待ち時間などはなく、受信側ではスタートビットとストップビットを手掛かりにタイミングをとっている。（ハードウェアが処理しているので、ソフト側では考慮する必要はない）。
SH7085のSCI
SH7085には、SCI0～SCI2の3系統のSCIが内蔵されている。
MEMEsにおいて、各SCIは次のように接続されている。
| SCI0 | ||
| SCI1 | USB | UART-USB変換ICに接続、PCへ |
| SCI2 | SDカード | SPI通信に設定し、SDカードに接続 |
・SCIの構成
SCIの概略構成図を次に示す。
データを受信する際は、RxD信号がLSB→MSBの順にSCRSR(レシーブシフトレジスタ)に格納されていく。8bit分正常受信すると、SCRSRはSCRDR(レシーブデータレジスタ)にコピーされる。CPUは受信完了を待ち、コピーされたSCRDRを読み込む。
なおSCRSRはCPUがリード／ライトすることはできない。受信した結果はSCRDRに転送されたものをリードする。
送信の場合は、SCTSR（トランスミットシフトレジスタ）が空になると（送信が完了すると）、SCTDR(トランスミットデータレジスタ)に書き込まれたデータをSCTSRにコピーし、送信動作を始める。
SCTSRもCPUからリード／ライトすることはできない。送信データはSCTDRに書き込むだけであり、トランスミットシフトレジスタの値（送信動作中は刻一刻と変化している）はCPUから操作できない。
図の右側のレジスタ群は、SCIの制御を行うレジスタである。
・STBCR3(スタンバイコントロールレジスタ３)
他の機能モジュールと同様に、SCIモジュールも初期状態ではクロック供給が止められて、低消費電力状態になっている。
iodefine.hでは次のように定義されている。
struct st_stb { /* struct STB */
:
union { /* STBCR3 */
unsigned char BYTE; /* Byte Access */
struct { /* Bit Access */
unsigned char _IIC2:1; /* IIC2 */
unsigned char _SCIF:1; /* SCIF */
unsigned char _SCI2:1; /* SCI2 */
unsigned char _SCI1:1; /* SCI1 */
unsigned char _SCI0:1; /* SCI0 */
unsigned char _SSU :1; /* SSU */
} BIT;
} CR3;
:
}
HEWでは、次のように記述する。
STB.CR3.BIT._SCI1 = 0; /* SCI1モジュールスタンバイ解除 */
・SCSMR(シリアルモードレジスタ)
SCIの動作モードを決めるレジスタであり、SCI0～SCI2それぞれに存在する。
キャラクタ長、パリティ、ストップビット長の設定や、後述するSCBRR(ビットレートレジスタ)と組み合わせて通信速度の設定を行う。
・SCBRR(ビットレートレジスタ)
SCSMR.CKSビットと組み合わせて、通信速度の設定を行う。
調歩同期式モードでは、
B：ビットレート(bit/s)
N：SCBRRの設定値
Pφ：20MHz
n：SCSMR.CKSの値(0～3)
とすると、
という関係が成立する。
例えばPφ=20.0MHz、n=0の時、9600bit/sの速度にする場合
N=64となる。
・SCSCR(シリアルコントロールレジスタ)
送受信動作の禁止／許可、割り込み要求の禁止／許可などを設定するレジスタである。
TE, REの各ビットは、送信動作／受信動作の禁止／許可を設定するビットである。通信条件の設定が完了した後、これらのビットを１にして、送受信を許可しておく。
割り込みに関しては、必要になった時点で説明をする。
・SCSSR(シリアルステータスレジスタ)
SCIの状態を示すフラグが格納されるレジスタである。
・TDRE(トランスミットデータレジスタエンプティ) ：SCTDR(トランスミットデータレジスタ)からSCTSR(トランスミットシフトレジスタ)にデータ転送が行われ、SCTDRに次のシリアル送信データを書き込むことが可能になったことを示す。
・RDRF(レシーブデータレジスタフル) ： 受信したデータがSCRDR(レシーブデータレジスタ)に格納されていることを示す。
・ORER(オーバランエラー) ： 受信時にオーバランエラーが発生して、異常終了したことを示す。SCSSR.RDRFが1にセットされたまま次のデータ受信を完了した時に発生する。
・FER(フレーミングエラー) ： 受信時にフレーミングエラーが発生して、異常終了したことを示す。ストップビットが0であった時に発生する。
・PER(パリティエラー) ： 受信時にパリティエラーが発生して、異常終了したことを示す。
・TEND(トランスミットエンド) ： 送信キャラクタの最終ビットの送信時にSCTDRに有効なデータがなく、送信を終了したことを示す。
TDREとTENDは似ているが、TENDは最終ビットを送り出して送信動作が完了した時点で１になるのに対し、TDREは最後のバイトの送信開始の時点で１になる。TDREを監視することにより、切れ目なく送信動作を続けることが可能になる。
送受信手順
・１バイト送信
１バイト（１文字）送信のフローチャートを次に示す。
SCSSR.TDRE(トランスミッタデータレジスタエンプティ)をリードし、TDRE=1(エンプティを示している)であれば、送信データを書き込む。書き込んだ後、TDREビットを0クリアしておく(TDREビットは自動でクリアされないので、ここでクリアしないと次回リード時に1のままである)。
このフローチャートを抜けた状態では、TxD信号線上はまだデータが送られている途中である可能性がある。本当に送信が完了したことを検出したい場合は、SCSSR.TENDビットを確認する。
・複数バイト送信
複数バイト送信のフローチャートを次に示す。
１バイト送信（SCTDRに送信データを書き込んだ）後、TDRE=1（送信データレジスタが空になった）を待ち、次の１バイトを書き込む。全データを書き込んだら、送信完了である。
１バイト送信と同様に、TxD信号線上も送信完了したことを検出したい場合は、SCSSR.TENDビットを確認する。
・１バイト受信
１バイト受信のフローチャートを次に示す。
まず、SCSSR.RDRF(レシーブデータレジスタフル)をリードする。RDRF=0の時は未受信状態を示している。受信を完了するとRDRF=1になるので、SCRDR(受信データレジスタ)を読み出し、RDRFフラグを0クリアしておく。
複数バイト受信する場合は、この手順を必要なだけ繰り返せばよい。
このフローチャートでは、エラー処理を一切省いてある。信頼性の高いプログラムにはエラー処理が必須であるが、今回は基本技術習得を目的とすること、MEMEsボード内での通信であることなどからエラーについては考慮していない。
演習
次のワークスペースをダウンロードし、展開する。
SCI1.zip
・演習１
SCI1_1.cの関数sci1_putch()SCI1に1バイト送信する関数であるが、未完成である。上のフローチャートを参考にして、この関数を完成せよ。
正常動作すると、Htermに’A’と表示される。
・演習２
SCI1_1.cの関数sci1_putstr()はSCI1に文字列を送信する関数であるが、未完成である。上のフローチャートを参考にして、この関数を完成せよ。
正常動作すると、Htermに”BCDEFG”と表示される。
・演習３
SCI1_1.cの関数sci1_getch()はSCI1から１バイト読み込む関数であるが、未完成である。上のフローチャートを参考にして、この関数を完成せよ。
正常動作すると、Htermから送信した文字がMEMEsのLCDに表示される。