３．７ Ａｒｄｕｉｎｏとマイクロコントローラについて
今回メインコントローラに使用しようとしているボードは”Ａｒｄｕｉｎｏ(アルドゥイノ又はアルドゥイーノ）”と呼ばれるフリーな仕様のボードです。このボートの心臓部は近年高性能であると同時に使いやすいと評価の高いアトメル社（ＡＴＭＥＬ）の８ビットのマイクロコントローラ（ＭＣＵ）のＡＶＲを使用しています。
”Ａｒｄｕｉｎｏ(アルドゥイノ又はアルドゥイーノ）”は狭義にはＡＶＲのマイクロコントローラをベースに製作された基板のことを指していますが、 Ａｒｄｕｉｎｏ自体はＣ言語風の 言語とそのプログラムを開発するためのツール、デバックのための機能、通信回線を介して基板のＲＯＭにプログラムを書き込むための諸機能といった諸機能をもった統合開発環境でもあります。また、Ｉ／Ｏピンの仕様や基板配置などといったハード仕様とプログラムの開発に必要な言語とそれを使用して開発されたライブラリなどのソフト仕様の全てを規定しているプロジェクトでもあります。
そもそもＡｒｄｕｉｎｏプロジェクトは２００５年にイタリアで始まったもので、より安価で有用な開発ハード環境を当時の学生たちに供給しようと始まったものです。
Ａｒｄｕｉｎｏは、搭載されたマイクロコントローの周辺Ｉ／Ｏをダイレクトに制御できるだけでなく、プログラムの書き込みに特別なハードを必要としない便利さに加え、ソフトウエアの仕様のみならず、バードの仕様そのものもオープンなプロジェクトとして開始されたことが多くのユーザに受け入れられました。
基板の性能自体は使用されたマイクコントローラに依存するところが多く、ＭＣＵとして採用された８ビットのＡＶＲチップの種別によってプログラム領域の大きさや通信を行うためのハードが若干異なることを除けば基本的な動作と性能はほぼ同じです。
ただし、ＡＶＲマイクロコントローラには様々なバージョンのものが製造されていますので、それに伴ってＡｒｄｕｉｎｏ自体も進化しており、Ｉ／Ｏポート数が増加しているものもあります。今回使用するＡｒｄｕｉｎｏボードはＭＣＵにＡＴｍｅｇａ３２８を搭載したものです。今後はＡＶＲマイクロコントローラ自体の高性能化に合わせて、動作周波数のより高いものや１６ビットや３２ビット処理をベースとするハードなどが発表されていくものと思われます。また、プロジェクト自体は互換ボートなどを作製すること許しているフリーシステムですから、今後さらに様々な基板が製作されるかもしれません。今回使用しようとしたボードのマイクロコントローラきＡＴｍｅｇａ３２８は、非常に高機能な割に価格が安く（２０１３／２現在、秋月電子では２５０円）、使用しやすい様々な特徴を有するコントローラでもあります。Ａｒｄｕｉｎｏボードの性能はこのチップの性能に依存していることは明白なので、このマイクロコントローラの優位な特徴について記述してみることにしましょう。
３．７．１ ＡＴｍｅｇａ３２８の主な特徴
■ＲＩＳＣ構造
◆ＲＩＳＣ構造の１２９命令の多くは１クロック周期で１命令を実行するので高速
凡そ１ＭＨｚ当たりの計算量は１ＭＩＰＳとなる
◆２周期での乗算命令のサポート
◆最大クロック２０ＭＨｚで駆動可能（ただし、Ａｒｄｕｉｎｏでは１６ＭＨｚで動作）
◆２０ＭＨｚ時には２０ＭＩＰＳに達する高速動作
◆完全なスタティック動作
■高耐久な不揮発性メモリ
◆プログラム用に１万回書き換え可能なフラッシュメモリを内蔵
◆位置変更可能なブートコード領域、ブートプログラムでファームウエア書き換えが可能
◆書き換え中に同時読み込み可能な機能のサポート
◆データ保持用の１０万回書き換え可能なＥＥＰＲＯＭを内蔵
◆プログラム実行用のＳＲＡＭを内蔵
◆書き換え回数：１万／フラッシュ、１０万／ＥＥＰＲＯＭ
◆データ保持力：２０年／８０℃，１０年／１００℃
■内部周辺操作機能
◆前置分周器と比較機能付きの独立した２つの８ビットタイマ／カウンタ
◆前置分周器と比較及び捕獲機能付きの独立した１つの１６ビットタイマ／カウンタ
◆６つのＰＷＭ出力が可能
◆６チャネル（ＰＤＩＰ，ＱＦＮ／ＭＬＦ２８）、８チャネル（ＴＱＦＰ，ＱＦＮ／ＭＬＦ３２）の１０ビットＡ／Ｄ変換器
◆設定可能な専用発振器付きのウォッチドッグタイマ機能
◆動作変更可能な直列ＵＡＲＴ
◆主装置／従装置動作の可能なＳＰＩ直列インターフェース
◆バイト対応の２線直列インターフェース（Ｐｈｉｌｉｐｓ Ｉ2Ｃ互換）
◆アナログ比較器
◆ピン変化での割り込み機能
３．７．１ Ａｔｍｅｇａ３２８の機能概要
ＡＶＲはアトメル（Ａｔｍｅｌ）社が製造しているＲＩＳＣベースの８ビットマイクロコントローラ（制御用ＩＣ）で、日本で沢山のアマチュアユーザを持っているＰＩＣと同様に比較的小型でシンプルな回路構成で様々な機器の制御回路を組めるところが特徴となっています。
上記のようにＡＶＲにはシステム開発に必要な内蔵メモリや様々な内部周辺操作機能の回路が予め組み込まれているので、これらの中でＥＪＡＮ赤道儀制御システムのファームウエアを作成するうえで必要となる主な機能についての概略を示そうと思います。
＜プログラム用フラッシュメモリ＞
作成した制御プログラムを書き込むための不揮発性メモリで、約１万回書き換え可能なフラッシュメモリが内蔵されています。これは、実際に動作するファームウエア本体をストアしているメモリ領域のことで、開発中は何度も実行オブジェクトの上書きを行い、完成したらそのままで半永久的に実行可能なものとして使用することができます。
このフラッシュメモリは電源を落としても内容が消去しないし、書き換えも前述のように約１万回も可能なので、プログラム開発時はデバッグ用のプログラム保持領域として利用するのです。
そのプログラムのデバッグが終了すれば、そのままの状態でコントローラのファームウエアとして利用することになります。
更にＡＶＲのフラッシュメモリの特徴は書き込み時に特別な電圧を掛けることなく、マイクロコントローラが稼働する５Ｖの電圧で書き込みが行えることです。このため、ＡｒｄｕｉｎｏがＵＳＢポートからこのフラッシュメモリにファームウエアを書き込めるのです。
フラッシュメモリのアドレスは下位から上位に単純にインクリメントするような直線的（リニア）なものとなっており、各デバイス種の違いは上位メモリアドレスのサイズの違いとなっています。
つまり、ファームウエアのボリュームにより使用するチップが異なるだけで、同じ系列のマイクロコントローラを用いる限りプログラムそのものには大方修正変更などの必要がないという特徴もあります。下に示すとおりとにかくＡＶＲのチップは価格が安い割に制御プログラム用のメモリが大きいことが特徴で、そのおかげでファームウエアが非常に楽になるし、比較的大きなプログラムの開発が可能になります。
◆Ａｔｍｅｇａ１６８では１６Ｋバイト ◆Ａｔｍｅｇａ３２８では３２Ｋバイト
◆Ａｔｍｅｇａ６４ では６４Ｋバイト ◆Ａｔｍｅｇａ１２８では１２８Ｋバイト
＜データ保持用ＥＥＰＲＯＭ＞
データ保持用のメモリで、主に初期化データやパラメータなどを保持する目的に使用されます。
書き換えが可能なので、プログラムから必要なデータのロードや保持のための書き換え処理を行うことができます。このメモリは電源を落としても内容は消えないし、書き換えも約１０万回行うことができるので、システム固有なデータの保持領域として利用できます。ＥＪＡＮ赤道儀制御システムでは、各種望遠鏡の制御データ、観測点情報、ステッピングモータの制御パラメータ情報、天体導入速度等の情報がこのモリの中にストアされており、同時にそれらの情報は随時修正・変更が可能なように設計されています。
◆Ａｔｍｅｇａ１６８では５１２バイト ◆Ａｔｍｅｇａ３２８では１Ｋバイト
◆Ａｔｍｅｇａ６４ では２Ｋバイト ◆Ａｔｍｅｇａ１２８では４Ｋバイト
＜プログラム実行用ＳＲＡＭ＞
プログラム実行時のスタックや一時メモリとして使用しますが、電源を落とすと内容は消去あるいは不定の状態になります。
サイズそのものはあまり大きくはないのですが、マイクロコントローラとしてはそれ程少ないという訳ではありません。
◆ＡＴｍｅｇａ１６８では１Ｋバイト ◆Ａｔｍｅｇａ３２８では２Ｋバイト
◆Ａｔｍｅｇａ６４ では４Ｋバイト ◆Ａｔｍｅｇａ１２８では４Ｋバイト
このようにＡＶＲの優位な事柄は上記のように多々ありますが、プログラム側から見ると最も大きな特徴はプログラム領域がリニアな空間で比較的大きくなっていることでしょう。そして、製品の上位バージョンは下位からのハード仕様をそのまま拡張するような構造になっており、開発したプログラムは若干の修正があるとしても上位マイクロコントローラでも基本的に動作することが考慮されています。また、１２９命令の多くは１周期で命令を実行することができるために１ＭＨｚ当たり１ＭＩＰＳの計算能力があること、２周期での乗算命令のサポートしていることなどにより非常に高速な処理が可能になっています。
メモリ空間がリニアであることはメモリ領域が拡張してもバンクシステムのような面倒な領域切替処理が要らないし、非常に見通しの良いシステム開発ができることになるわけです。
ＡＴｍｅｇａ３２８の入出力ピンは通常はデジタル入出力として使用することができるのですが、Ｂポート（ＰＢｎ）の各ピンは外部要因による割り込みやクロック処理のピンとして機能させることができます。また、Ｃポート（ＰＣｎ）はアナログ入出力ピンとしても動作し、更にＤポート（ＰＤｎ）はピンの状態変化による割り込みなどの機能ピンとしても機能させることができる兼用機能をサポートしています。
このように、ＡＶＲのマイクロコントローラは様々な機能を１チップに詰め込んだ非常に高機能で高速な８ビットコントローラに仕上がっているのです。
３．８ ＡＴｍｅｇａ３２８とＡｒｄｕｉｎｏのフリーな開発環境
プログラム開発はＣ言語あるいはアセンブラを基本としており、アトメル（Ａｔｍｅｌ）社から非常に開発しやすい環境として「ＡＶＲ Ｓｔｕｄｉｏ」が無償で提供されています。
「ＡＶＲ Ｓｔｕｄｉｏ」はアトメルのマイクロプロセッサを使用した場合の標準開発システムともいえるもので、Ｃ／Ｃ＋＋コンパイラ、エディタ、デバッガ、ライティング等の開発環境が集約されており、一般にＩＤＥ（Integrated Development Environment）と言われているものです。このアトメルのＩＤＥは無償の統合開発環境としてでなく、開発に必要な様々な機能や開発を早めるためのサンプルソースなども含まれている無償で非常に強力なツールシステムです。
Ａｒｄｕｉｎｏ「（アルドゥイノ又はアルドゥイーノと呼ぶ）」は、このＡＶＲ Ｓｔｕｄｉｏとは全く別のものとしてＣ言語とほぼ同じ仕様でプログラムの開発が可能なプロジェクトとして存在しています。
ＡｒｄｕｉｎｏはＡＶＲのマイクロコントローラを採用しハードにおけるボード形状や入出力ピン及び動作環境と開発環境の全てに関わる仕様を規定しているものです。このプロジェクトは、単にマイクロコントローラのハードを規定するシステムというものでもないですが、ＡＶＲチップをボードの心臓部に使用した優れたシステム開発環境であることは間違いありません。
さらに、Ａｒｄｕｉｎｏはフリーな開発システムとして、ハードのみならずソフトウエアそのものも全て公開されているオープンなシステムとして提供されていることが他システム環境との違いとなっています。特に、メインボードのハードウエア設計情報を公開するオープンハードウエアなので、その回路設計データであるＥＡＧＬＥデータファイルすらも無償で公開されていることは特筆に値します。
要するに、ソフトウエアからすれば開発におけるフリーな開発環境とその書法を仕様で規定しているだけでなく、同時に様々なライブラリなども提供されてユーザにとって非常にわかりやすいシステムとなっています。同時に、ハード的にはＩ／Ｏのピン形状とその仕様が定められているためにボードを用いたシステム開発も行い易くなっていることが大きな特徴でもあります。
ＡｒｄｕｉｎｏボードのＩ／Ｏソケットの形状と位置関係は非常に特徴的で、Ｉ／ＯソケットはマイクロコントローラのＩ／Ｏピンのポートと対応して、ダイレクトに設定されているために非常に分かりやすくなっています。下図にＡｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯ（ＡＴｍｅｇａ３２８仕様）のボードとピンマッピングが示されていますが、マイクロコントローラのＩ／ＯピンはＢ（ＰＢ）ポート、Ｃ（ＰＣ）ポート、Ｄ（ＰＤ）ポートというように機能仕様毎に分かれています。
ちなみにＡｒｄｕｉｎｏボードは搭載されているマイクロプロセッサには特段の規定が無いようなので、別種のプロセッサを使用している様々な互換ボードが発表されているし、回路図そのものがオープンのためにその派生互換ボードも多々あります。
通常使用的には各ポートは内蔵プルアップ抵抗付きのデジタル入出力ができるポートとして機能しますが、各Ｉ／Ｏピンはその動作設定を変えることでデジタル入出力以外の様々な処理を行う特殊な機能ピンとしても動作できるような設計になっています。
ＡｒｄｕｉｎｏボードのＩ／Ｏがこのようなソケット形状をとっているのは、このソケットと同じピンソケットをもった増設ボードをドーターボード（積み上げ）として次々にスタックするような機能拡張システムを考えているからです。このような、機能拡張ボードは”シールド”と呼ばれており、それらはＡｒｄｕｉｎｏのソケットと接続用のピンのあるものであればよいことになっています。シールドは様々な機能のものが各社から発売されているので機能拡張は非常に簡単です。
ただし、Ａｒｄｕｉｎｏのソケット配置は、ユニバーサルボードがそのまま乗るようなピな配置とはなっていません。電源関連，Ｃ，Ｄポートソケットはユニバーサルボードと同じ１００ｍｉｌのグリッド上に配置されていますが、残りのＢポートソケットは同一グリッド上にはありません。このため、互換ボードの一部はわざわざＢ ポートのみ１００ｍｉｌのグリッドの端子を増設しているものさえあります。このソケット配置の意味合いは主に基板の差し違え防止の意味合いもありますが、所定のシールドを使用させる意味合いもあるように思いますが真意は分かりません。
このように、Ａｒｄｕｉｎｏ ＵＮＯなどはＩ／Ｏピンの絶対数が比較的少ないので、使用できるシールドの数やピン配置にも若干の制約はあることは否めないのですが、とにかくハード仕様が明確になっているおかげで、シールド自作的にも様々な問題がかなり緩和されていることも事実です。
３．９ Ａｒｄｕｉｎｏにおけるピンの定義
ＡｒｄｕｉｎｏではＩ／ＯピンＰＤ０～ＰＤ７、ＰＢ０～ＰＢ７、ＰＣ０～ＰＣ６の順にデジタルピンｐｉｎ０～ｐｉｎ１９としてデジタルデータを扱うことができます。
ただし、ＡｒｄｕｉｎｏにおいてはＰＣ０～ＰＣ６（ｐｉｎ１４～ｐｉｎ１９）については、アナログピンａｎａｌｏｇ ｉｎｐｕｔ０～ａｎａｌｏｇ ｉｎｐｕｔ５として使用するように仕様上定義づけられていますが、ピン定義によりデジタルデータのＩ／Ｏピンとして動作させることができます。その場合には、対応するピンの動作モードを下記のコードで明示的に指定しなければなりません。
<ピン操作関数> pinMode(pin, mode)
<機能概要> 指定するピン(pin)の動作を入力か出力(mode)に設定します。
Ａｒｄｕｉｎｏ1.0.1から、INPUT_PULLUPを指定することで、
内部プルアップ抵抗を有効にすることができます。
INPUTを指定すると、内部プルアップは無効となります。
<パラメータ > < 内容>
ｐｉｎ アナログ出力に使用するデジタルピンの番号
mode デジタルピンの番号の機能設定
INPUT ： 指定したｐｉｎを出力ピンに設定します
OUTPUT ： 指定したｐｉｎを出力ピンに設定します
INPUT_PULLUP ： 指定したｐｉｎを内部プルアップ抵抗が有効な入力ピンに設定します
戻り値 なし
Ａｒｄｕｉｎｏはこれらマイクロコントローラの機能を有効に活用すべく作られたＡＶＲの開発環境を上手に利用しながら、プログラム開発になれない初心者のために分かりやく、処理環境を意識させないように設計されたシステムなのです。更に、プログラムの開発に関連したエディタ、コンパイラ、ファームウエアをハードに転送するための機能等を総合的に提供する有用なシステムでもあります。
Ａｒｄｕｉｎｏのシステム的な唯一の欠点を上げるならば、その書法からくるものでＣ言語のような開発仕様ですが、前述の「ＡＶＲ Ｓｔｕｄｉｏ」のようなソースデバッグの機能がないことでしょうか。
ファームウエアの実行時にターゲット（ＡＴｍｅｇａ３２８）側のデータ内容を参照することはデバック時には必須のことなのですが、Ａｒｄｕｉｎｏでは直接これらを参照する手段がありません。
このため、ファームのソース上にｐｒｉｎｔ文を入れてシリアルに必要なデータを出力し、データ内容をデバッグモニタで参照するという面倒なことをしなくてはなりません。この作業は何しろ面倒なだけでなく、データ出力するためのｐｒｉｎｔ文そのものが多くのメモリを消費することになり、開発に必要なメモリ領域に大きな負荷がかかるという欠点があります。
この問題は後々解消されるのかもしれないのですが、いずれにせよＡｒｄｕｉｎｏはあまり大きなプログラムを開発するようなものとしては設計されていないようです。現時点ではＡｒｄｕｉｎｏが発展途上にあるシステムということを考え合わせると、数千ステップを超えるようなシステム開発の場合はハードのみＡｒｄｕｉｎｏのボードを使用し、開発そのものは「ＡＶＲ Ｓｔｕｄｉｏ」で行うような方法が良いのかもしれません。この点はＡｒｄｕｉｎｏ使用したシステム開発の課題ということになるのでしょうか。いずれにしても、そのようなソースデバックを行えるようなハードでなくてはならないのですが、その点Ａｒｄｕｉｎｏは余り考慮されていないようなのです。
３．１０ Ａｒｄｕｉｎｏのスケッチ
さて、Ａｒｄｕｉｎｏにおけるファームウエアのソースは”スケッチ”という名称で呼ばれています。これは、作成者が作りたい部分又は制御したい部分のプログラムのみを作成すればよいという思想から、通常のＣ言語などによるプログラムとは差別化し、プログラム作成をより簡略でイメージ化し易くするために考え出されたものなのだと思います。
とりわけ、ＡｒｄｕｉｎｏにはＣ言語にある”ｍａｉｎ”の部分が無く、プログラムが動作するために最初に行うセットアップ（ｓｅｔｕｐ（））関数と実処理に相当するループ処理（ｌｏｏｐ（））の内容のみコーディングすれば良いことになっています。
たとえば、以下のようにＡｒｄｕｉｎｏボードの１３ピンに接続されたＬＥＤを点滅させるスケッチはＡｒｄｕｉｎｏのＦｉｌｅ－＞Ｅｘａｍｐｌｅ－＞Ｂａｓｉｃｓ－＞Ｂｌｉｎｋ からスケッチの例として使用することができます。Ａｒｄｕｉｎｏの良さはこのようなスケッチの例が豊富なことも特徴の一つです。
このスケッチは、ＡｒｄｕｉｎｏのＵＰＬＯＡＤ（７個あるボタンの内右から２番目の）ボタンを押すことでこのスケッチはコンパイルが実行されます。続けて実行オブジェクトがボードのメモリ領域に書き込まれると同時にプログラムは実行されてＬＥＤが点滅を始めるのです。
＜Ａｒｄｕｉｎｏの最も簡単なプログラムの例＞
このスケッチは、ＡｒｄｕｉｎｏのＵＰＬＯＡＤ（７個あるボタンの内右から２番目の）ボタン を押すことでこのスケッチはコンパイルが実行されます。続けて実行オブジェクトがボードのメモリ領域に書き込まれると同時にプログラムは実行されてＬＥＤが点滅を始めるのです。
/*
１秒ごとの点滅：ＬＥＤが一秒点灯し、 一秒間消灯を繰り返す
*/
void setup() {
// デジタルピン１３を出力ポートに初期化する
// Pin １３ は LEDに結線されている
pinMode(１３, OUTPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(１３, Ｈｉｇｈ); // LED を点灯する
delay(1000); // 1000mSec遅延
digitalWrite(１３, Ｌｏｗ); // LED を消灯する
delay(1000); // 1000mSec遅延
}
上例のようにＡｒｄｕｉｎｏでのプログラム開発はサンプルスケッチを有効に活用しながら行うことが基本となっているようで、初心者には非常にありがたいシステムです。
Ａｒｄｕｉｎｏシステムはこのスケッチをボードに書き込む際のコンパイル処理にともなって、必要なインクルード文やメイン関数などを付け足したテンポラリソースファイルを作成した後に、そのソースをｇｃｃコンパイラによってコンパイルすることによりバイナリファイルを作成してからボードに書き込んでいます。
従って、Ａｒｄｕｉｎｏシステムはｇｃｃコンパイラがベースであることは明白なので、ファームウエアの開発にはＣ言語で開発された様々なライブラリも利用することができることになります。特にＡＴＭＥＬ社の提供する標準ライブラリ”ＡＶＲ Ｌｉｂｃ”とも非常に相性が良いことも事実なのです。
このため、ＡＶＲ Ｌｉｂｃパッケージで提供されているＣの関数は、Ａｒｄｕｉｎｏの言語仕様やライブラリにない標準Ｃライブラリのサブセット関数やＡＶＲ固有の関数などの強力なＣの関数を含んでおり、これらを使用することでより細かなプログラミングが可能になっています。このＡＶＲ Ｌｉｂｃパッケージは、ＡＶＲの８ビットと３２ビットマイクロコントローラのプログラム開発を行いやすくするためにＡＴＭＥＬ社から無償で提供されるもので非常に有用なライブラリです。
余談ですが、このライブラリを使い始めると結局のところＡｒｄｕｉｎｏでの開発はＵＳＢポートのみを使用してファームウエアの書き込みができるという点で便利なのですが、プログラム開発ではオンラインデバッグを含めてＡＶＲ Ｓｔｕｄｉｏを利用した方がよりスマートなように感じるのは筆者だけなのでしょうか。
Ａｒｄｕｉｎｏシステムはバイナリファイルを開発ボードに対して送ろうとするとき、その都度通信ポートのオープンを要求することになり、Ａｒｄｕｉｎｏボード側はポートオープンに伴ってリセットがかかるようなハード構成となっているために、やはりポートオープンの度にリセット割り込みがかかるようになっています。
このリセット割り込みはブートローダに処理を移し、このローダプログラムが外部通信ポートからのバイナリファイルの送信要求を受け取って、マイクロコントローラ内のプログラム用フラッシュメモリに対してプログラムデータを書き込むのです。ＡＴｍｅｇａのフラッシュメモリの特徴は通常動作電圧のみで書き換えができることなので、これがＡｒｄｕｉｎｏシステムのブートローダによるバイナリデータの書き換えという処理を可能にしているのです。Ａｒｄｕｉｎｏシステムの特徴は、このブートローダの処理にあり、このローダのおかげで特別な開発システムがなくともマイクロコントローラのプログラム作成を楽しむことができるのです。そのため、組み込みプログラムを楽しむためのハードルが非常に低いものとなり、少なくともプログラム開発言語Ｃを知っているか、あるいは正確に知らなくとも前述のようなサンプルスケッチをロードするだけで簡単なプログラム作成の面白さを実体験できるのです。
その意味でＡｒｄｕｉｎｏは非常に便利で有用なシステムということにはなるのですが、前述のように開発環境という観点からすると非常にデバッグが行い難いものでもあります。それは、ダウンロードされたターゲットプログラムのデバックにおいて感じることなのです。いざデバッグを始めるとファームの実行状態が全く判らないので、丁度真っ暗やみの中で落とした小物を探すような状況に陥るのです。ファームウエアがバグなく作成されていれば何も問題はないですが、バクがあった場合は動作途中の変数値やメモリの状態を確認しようとすることになります。しかし、それらを直接読み取る手段がそのものがＡｒｄｕｉｎｏにはないのです。そのため、これらの内容を参照しようとするファームのソースのなかにデータ出力ステートメント(ｐｒｉｎｔ)を追加しておき、それの実行時に通信を介してＡｒｄｕｉｎｏのデバッグモニタにデータを出力させなくてはならなくなるのです。
これは非常に面倒であるばかりでなく多くのメモリ領域を消費することになるので、ファームウエアの開発からすると開発メモリ領域の減少という結果になり、全くありがたくないものになってしまうのです。その点、ＡＶＲの統合開発環境である「ＡＶＲ Ｓｔｕｄｉｏ」はこれらの不都合をすべて解消することになるのですが、ファームウエアの書き込みやデバッグには別途専用ハードを必要とする点が唯一の難点ということになります。ただし、これらの開発ハードは他社のものと比較しても安価なものなのでアマチュアでも十分使用することができるものですから、この点が難点といえるかどうかは若干議論の余地がありそうなのですが・・。
３．１１ Ａｒｄｕｉｎｏでのオブジェクトの作られ方
Ａｒｄｕｉｎｏというシステムは、ハードとプログラム書法を明確に規定しているフリーな開発環境です。ハードは本来ＡＶＲのＭＣＵを基本として、アマチュアが容易にプログラム開発やロボットなどのハード制御ができるように設計されており、プログラムの開発言語はＣ／Ｃ＋＋に似たような書法になっています。似たようなというのも、Ａｒｄｕｉｎｏのソフト開発環境におけるコンパイラがＧＣＣを採用しているからに他なりませんが、実際の開発ではＣ／Ｃ＋＋にあるようなｍａｉｎ関数などが存在しないことに気づくはずです。
Ａｒｄｕｉｎｏにおけるソースプログラムは”スケッチ”と呼ばれており、それはｌｏｏｐ（）関数とｓｅｔｕｐ（）の関数のみで処理が完了します。通常のＣ／Ｃ＋＋で作られたプログラムのメインにあるその他の関数定義やで定義文（#include 文や定数のような）等は一切記述の必要がありません。ただし、Ａｒｄｕｉｎｏシステムで標準的に提供されていないライブラリ（サンプルにあるような）を使用するときは、そのライブラリの定義文（#include 文）をスケッチの始めに書くことでその機能を使用することができるようになります。
それでは、Ａｒｄｕｉｎｏはどのようにしてスケッチからボードで実行できるオブジェクトを生成することができるのでしようか。実は、そのことの解決法そのものがＡｒｄｕｉｎｏというシステムの最大の特徴になっているのです。先ほど、スケッチに必要な関数はｌｏｏｐ（）とｓｅｔｕｐ（）のみと書きましたが、ＡｒｄｕｉｎｏがいかにしてＭＣＵで実行可能なオブジェクトを生成することができるのかを知ることは非常に重要なことです。
表 Ａｒｄｕｉｎｏで必要な関数
< 関 数 > ｌｏｏｐ（）
< 処理概要 > 実際の処理を記述したソースファイルで、
プログラムは通常電源が落とされるまで、と何度でも実行され続けます。
本当の意味でメインプログラムと呼べる部分です。
この中のプログラムがないものは、まさに空のプログラムで何もできません。
< 関 数 > ｓｅｔｕｐ（）
< 処理概要 > デバイスや特定な値などの初期化を行うための関数で、
スケッチが実行されるときに一度だけ実行される処理プログラムです。
Ａｒｄｕｉｎｏでのスケッチについて考える前に、一般的なプログラムの開発の手順について考えてみましょう。全てのプログラムはプログラマが書いたＣ／Ｃ＋＋等のソースプログラムを、最終的には稼働するＭＣＵ（またはＭＰＵ）が解釈し実行できるような実行オブジェクトの形式に変換されなくてはなりません。このソースプログラムから実行オブジェクトへの変換処理を”コンパイル”と呼んでいます。
Ａｒｄｕｉｎｏの場合でも人が分かりやすい言語で書いたプログラム、つまりスケッチを記述しコンパイルという手順を経て実行オブジェクトが作られることは、他のＣ／Ｃ＋＋等のプログラムと全く同じです。そして、実際のコンパイルを行うプログラムが”コンパイラ”と呼ばれるもので、そのコンパイラは、Ａｒｄｕｉｎｏでは”ＧＣＣ”と呼ばれるフリーのコンパイラが採用されています。
それでは、なぜ一般的なＣ／Ｃ＋＋言語で必要なｍａｉｎや#include 文等の記述がＡｒｄｕｉｎｏでは必要がないのでしょうか。
実はＡｒｄｕｉｎｏにおいても、スケッチをコンパイルしようとしているＧＣＣコンパイラ自体はそれらの記述内容が必須なのです。要は、これら言語的な書法への書式変更や関数とその定義文の追加などのコンパイルに必要な記述処理をＡｒｄｕｉｎｏシステムがプログラマに代わって行なっているということなのです。それなので、スケッチでは最小限のプログラムソース記述だけで良いということになっているわけです。
Ａｒｄｕｉｎｏが開発された最大の要因は、旧来のプログラム開発を行ったことのある人ならば分かるのですが、プログラムをコンパイルするまでの開発環境の設定や操作の理解といったことが、プログラム初心者にとっては非常に高いハードルとなるという事柄なのです。また、プログラムの書法そのものを学習することでさえ、従来の開発環境では非常に設定事項が多くて分かり難く複雑ということだったのです。そのため、このような状況を解消するための統合開発環境（ＩＤＥ）が作られましたが、その環境そのものもまた複雑で理解しづらいということで、更にプログラム開発のハードルを上げる結果となっていたのです。この反省に基づいて、そのような開発環境をできるだけプログラマに意識させず、プログラムの実行イメージ（スケッチ）のみに集中できるように設計された開発システムがＡｒｄｕｉｎｏということになります。
以下にピン番号１３を利用した１秒ごとのＬＥＤの点滅のスケッチとＣでのソースの展開イメージが示されています。この二つのソースを見比べてみましょう。
表 Ａｒｄｕｉｎｏ のスケッチとＣの展開ソース
< Arduinoでのスケッチ >
/* Blink */
int led = 13;
// the setup routine : 初期設定
void setup() {
// デジタルピンを出力に設定
pinMode(led, OUTPUT);
}
// the loop routine 繰り返し実行される
void loop() {
// turn the LED on (HIGH is the voltage level)
digitalWrite(led, HIGH); // LED点灯
delay(1000); // １秒待ち
digitalWrite(led, LOW); // LED消灯
delay(1000); // １秒待ち
}
< 展開後のスケッチに対応するＣのソース>
#include <Arduino.h>
/* Blink */
int led = 13;
// the setup routine : 初期設定
void setup() {
// デジタルピンを出力に設定
pinMode(led, OUTPUT);
}
// the loop routine 繰り返し実行される
void loop() {
// turn the LED on (HIGH is the voltage level)
digitalWrite(led, HIGH); // LED点灯
delay(1000); // １秒待ち
digitalWrite(led, LOW); // LED消灯
delay(1000); // １秒待ち
}
int main(void)
{
init();
#if defined(USBCON)
USBDevice.attach();
#endif
setup();
for (;;) {
loop();
if (serialEventRun) serialEventRun();
}
return 0;
}
これは、様々なＡｒｄｕｉｎｏの入門書で示されるサンプル・スケッチですが、前半はご覧のようにｓｅｔｕｐ（）とｌｏｏｐ（）関数のみのスケッチで、後半はそれがＡｒｄｕｉｎｏによってソース展開された後のソースプログラムが示されています。
このスケッチの内容は一秒ごとにＡｒｄｕｉｎｏ基板上のＬＥＤを点滅させるという簡単なものです。その前半部の内容のスケッチが、Ｃのソースに展開され、コンパイルされる直前のソースとして下段に比較表示されています。
Ａｒｄｕｉｎｏボードのピン番号１３はＬＥＤがハード的に接続されていますから、このポートの状態をＯＮするとＬＥＤが点灯し、ＯＦＦに設定するとＬＥＤが消灯することになります。
ＡｒｄｕｉｎｏによってＣのソース展開された内容がソースの下段に示されており、この中で太字で表記された部分がＡｒｄｕｉｎｏによって追加されたＣのソースです。
結局のところ、スケッチのｓｅｔｕｐ（）とｌｏｏｐ（）関数がＣソースのｍａｉｎ関数の中で呼び出される関数して記述されています。ｓｅｔｕｐ（）関数は一度だけ実行されますが、ｌｏｏｐ（）関数は、ｆｏｒ（；；）｛｝の無限ループ中で毎回呼び出され、ＬＥＤが点灯してから１秒の待ちを実行し、その後ＬＥＤを消灯し１秒の待ちを行うという一連の処理を実行しています。
このＬＥＤの点滅を行うスケッチは非常にシンプルですが、実際のＡｒｄｕｉｎｏのスケッチは様々な処理を行うでしょうから通常はもっと複雑なものになります。ですが、基本的な手順としてはこのようなスケッチのＣソースへの変換処理が行なわれた後に、ＣコンパイラであるＧＣＣにかけられて実行オブジェクトが作られるという点では全く同じなのです。
３．１１．１ スケッチがＣのソースに展開された内容の確認方法
Ａｒｄｕｉｏｎｏはこのように複雑な仕組みを意識させないシステムなので、以下で説明することは本来理解する必要のない事柄ですが、あくまでもコンパイル処理の内容を理解するためのアプローチとして次のような操作を行ってみると良いでしょう。それは、スケッチがＡｒｄｕｉｏｎｏによってＣのソースに展開された後の内容をソースとして確認することです。
先ずＡｒｄｕｉｎｏの”環境設定”パネルを開いて”以下のファイルを直接編集すれば、より多くの設定を行うことができます”表示の下に示されたテキストファイル”ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．ｔｘｔ”の内容を確認すると、Ａｒｄｕｉｎｏの様々な情報を確認することができます。
この例では、次のようになっています。
”Ｃ：￥Ｕｓｅｒ￥ｙｏｓｈｉ￥ＡｐｐＤａｔａ￥ｒｏａｍｎｇ￥ａｒｄｕｉｎｏ￥ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．ｔｘｔ”
前述のような内容を実際に確認したいのならば、このファイル（ｐｒｅｆｅｒｅｎｃｅ．ｔｘｔ）のpreproc.save_build_files=falseの項目をtrueにすれば中間ファイルがAppData/Local/Tempのテンポラリファイル(build****.txt)として残されるのでその内容を実際に確認することができます。
また、Ａｒｄｕｉｎｏ １．０５における前処理に必要なファイルは、Ａｒｄｕｉｎｏシステムがストアされているディレクトリの/hardware/arduino/core/arduino/に全て入っています。これらのファイルをみるとｍａｉｎ等の全てのソースファイルの拡張子が”．ｃｐｐ”なので、システム開発の基本はＣ＋＋になっているのが分かります。このため、当然Ｃのソースも有効なファイルとなります。
Ａｒｄｕｉｎｏが実行オブジェクトを作成するとき、これらのファイルの必要なものをロードして一つのソースファイルを一時的に形成するのです。それが先に説明したテンポラリファイルトいうことになります。
スケッチに書かれた２つのソース関数は、ｍａｉｎ．ｃｐｐから呼び出される関数として存在しています。一般にスケッチにあるｌｏｏｐ関数の部分が実処理の内容になるのですから、ユーザはこの部分のみ把握して作成すればよいという考えでシステムが構築されます。
４．ＥＪＡＮ赤道儀制御システムのピン割り当て
さて、ＥＪＡＮ赤道儀制御システムはこのＡｒｄｕｉｎｏ Duemilanove 仕様より後のボード（ＵＮＯなど）をメインボードにすることにしたので、次はピン割り当てを考えなければなりません。ただし、ボードそのものは様々なものでシステム稼働が望めるので、赤道儀の制御システムとして必要なの制御ピンを考えてみます。そのためには、ＥＪＡＮ赤道儀制御システムが行う制御とその信号の内容を吟味してみる必要があります。
ＥＪＡＮ赤道儀制御システムが行うべき作業と信号の種別は以下のように大別できます。
１．ステッピングモータの制御
＜信号制御のドライバ基板を使用したとき＞
◆ ＲＡ／Ｄｅｃモータの回転方向を決めるためのＤｉｒｅｃｔｉｏｎ信号
◆ ＲＡ／Ｄｅｃモータの回転を行うためのステップ信号
◆ ＲＡ／ＤｅｃモータのＥｎａｂｌｅ／ＭＳｎ（マイクロステップ）動作を決める信号
・ＲＡ／Ｄｅｃへの回転方向を決めるための信号は各１本必要です。
・ＲＡ／Ｄｅｃへの実回転を行うための信号は各１本必要です。
・ＲＡ／Ｄｅｃへの マイクロステップ値を決めるための信号は各２本（１／８）又は
３本（１／１６）必要です。
ただし、モータ制御基板内でマイクロステップ動作をディップスイッチなどで設定
するもの、あるいは外部基板に回路設定したときそのには必要はありません
＜ＳＰＩ制御のドライバ基板を使用したとき＞
◆ ＲＡ／Ｄｅｃモータの回転を行うためのステップ信号
多数回転する場合はＳＰＩによるコマンド制御により行うことになりますが、
１ステップごと の動作に必要な信号線が必要です。
◆ ＲＡ／Ｄｅｃモータの回転制御するため信号
・ＭＯＳＩ信号 ： マスターからスレーブへのデータ信号線
・ＭＩＳＯ信号 ： スレーブからマスターへのデータ信号線
・ＳＣＫ信号 ： データ転送同期クロック信号
・ＳＳ信号 ： スレーブ機器の選択信号
２．上位アプリケーションとの通信
◆ ＵＳＢ－シリアル通信のための信号（ＴＸ／ＲＸ）
・ＵＳＢ－シリアル通信の信号（ＴＸ／ＲＸ）各１本必要です。
３．ハンドコントローラとの通信
ハンドコントローラの制御信号はメインボードに対する入力信号として処理することもできますが信号数だけのポートが必要となるため、あまり良い方法とは考えられありません。このため、ハンドコントローラ処理の内容をコマンド通信形式でメインに指示するので次のいずれかの信号が必要です。
◆ ＳＯＦＴ－シリアル通信のための信号（ＴＸ／ＲＸ）
・ＳＯＦＴ－シリアル通信の送信（ＴＸ）と受信（ＲＸ）各１本ずつの信号が必要。
◆ ＵＳＢ－シリアル通信のための信号（ＴＸ／ＲＸ）
・ＵＳＢ－シリアル通信の信号（ＴＸ／ＲＸ）各１本必要です。
４．ホームポジションの検出
◆ ＲＡ／Ｄｅｃモータのホームポジションを決めるための信号入力
・最低ＲＡ／Ｄｅｃからの位置検出信号各１本と電源各１本必要
５．オートガイダーの制御
オートガイダーの仕様により様々なものが考えられます。
◆ 東西南北を指し示す信号（概ね４本と電源、ＧＮＤ線など）
◆ ＳＯＦＴ－シリアル通信のための信号（ＴＸ／ＲＸ）
・ＳＯＦＴ－シリアル通信の信号（ＴＸ／ＲＸ）各１本必要です。
◆ ＵＳＢ－シリアル通信のための信号（ＴＸ／ＲＸ）
・ＵＳＢ－シリアル通信の信号（ＴＸ／ＲＸ）各１本必要です。
６．ＬＣＤの制御（制御ピンに空きのある場合、メインＲＯＭに余裕のある場合）
◆ ＬＣＤ（液晶）表示装置のポート制御
・通常は制御信号２信号とデータ用８信号が必要ですが、データ信号に対しては上位
と下位の４ビットずつの出力にして４信号に圧縮し、都合６信号で制御が可能に
なりますから、最低でも６信号が必要です。
◆ ＬＣＤ（液晶）表示装置のＳＰＩ制御
・ＳＰＩ制御のＬＣＤの場合は４信号で制御が可能になりますが、メインポートが
ＳＰＩに対応していることが条件です。
制御自体はポート制御よりも高速になりますから、システム的には有利な制御法
です。
これらのデバイスを制御するために外部デバイスに対して出力または入力処理を行うための信号ポートを割り当てなければなりません。使用できる制御ピンはデジタルｐｉｎ０～ｐｉｎ１９までの計２０本であるから非常に厳しいが、どのようにしてもこのピンの中に上記の機能信号を割り当てなければならないのです。下図に制御ピンと前記制御機能との対応案の例が示されています。
図 Ａｒｄｕｉｎｏボードの形状とＩ／Ｏソケットの機能マッピング例
信号の定義はシステム設計の内容と機能仕様によってその必要度が異なることになるので、それらの則って信号の内容を少し吟味してみることにします。
制御信号の内、ステッピングモータの制御に必要な信号は、回転の方向を決める信号と回転そのものを与えるステップ信号の２信号が一つの制御軸毎に必要なので、合計４信号ポートが必須です。
また、上位パソコンのコントロールソフトとのシリアル通信のための送信（ＴＸ）と受信（ＲＸ）のための２ポートは絶対になくすことはできありません。同様にハンドコントローラとのソフトシリアル通信のための送信（ＴＸ）と受信（ＲＸ）のための２ポートも必須です。
オートガイダーからの信号仕様は数多いガイダーの仕様によって異なる可能性はありますが、少なくとも信号線を入れようとすれば赤道儀の赤緯軸と赤経軸の回転を与える４つの信号（東西南北）は最低限必要であることは言うまでもないことです。ただし、オートガイダ信号の内容を何らかの通信コマンドの形で送受することができればより細かい処理ができるだけでなく、信号線そのものも２線に圧縮することができることになります。
ＬＣＤ（液晶表示装置）を使用するためには制御用に２信号、データ用に４信号が最低限必要ですが、システム稼働には必ずしも必須ではないと考えてＬＣＤを使用しないことにすると、計６信号を他の処理で使用することができるからやや余裕が生まれます。将来的に拡張すること前提に考えるならば、この信号ポートはいずれかの信号ピンを確保しておかなければならないことになります。
ホームポジションの検出信号のポートは使用頻度が極端に低いのでデジタルポートの中ではあまり重要とは言い難いと思われるかもしれないのですが、ＥＪＡＮ赤道儀制御システムの目差す完全自動導入処理にはやはり必須なのでこれも外すことはできません。
このように信号の必要性についての考察というのは、提供される機能の内容だけでなく、採用されるボード則ち搭載されているマイクロコントローラ（ＭＣＵ）の種別によっても大きな影響を受けるものであることを十分に留意しなければなりません。
なぜなら、現在採用予定のボードはＡｒｄｕｉｏｎｏ ＵＮＯという機種でＡｔｍｅｇｅ３２８という８ビットのマイクロコントローラを使用していますから信号ピンの数は前述の通り２０信号のみですが、ボードをＡｒｄｕｉｏｎｏ ＭＥＧＡに変更すれば信号ピンの問題は一気に解決してしまいます。というのも、このＡｒｄｕｉｏｎｏ ＭＥＧＡには信号ピンが５２ピンもあるからなのですが、このＭＣＵを採用したボードならば当面信号ピンの割り当てで苦慮することはなくなる訳なのです。
というわけで、Ａｒｄｕｉｏｎｏ ＵＮＯ使用する限り、非常に苦しいピン数のなかで信号配置を定義していかなければならないわけですが、これらの信号はシステムのハード構成とも密接に関連しているので、以下でシステム構成の要求に従ったピン配置をより詳しく考察してみたいと思います。
４．１ 各種Ａｒｄｕｉｎｏピンと機能との関連
今日、Ａｒｄｕｉｎｏボードは搭載されるＭＣＵの種別によって様々なものがあります。基本的にはアトメル社 ＡＶＲのＲＩＳＣベースの８ビットマイクロコントローラ（ＭＣＵ）が搭載されたボードということになりますが、近年３２ビットＭＣＵを搭載したものも発表されています。
Ａｒｄｕｉｎｏはオープンソースハードウエアの環境になりますから、純正（Ａｒｄｕｉｎｏと呼べるオリジナルなもの）品以外にも沢山の互換ボートが市場に出回っています。オープンソースハードウエアというのは、ソフトウエアの開発に関する開発環境や提供されるフリーソフトウエアなどを基本として、そのソフトウエアの稼働するハード（ボードなどの）使用もオープンにされているシステムのことです。そのため、同じ機能を持ったハードが沢山開発されています。これらの互換機はＭＣＵが純正品と同一ものを使用していますし、回路そのものも基本部分はほぼ同一ですが、ＵＳＢや電源回路等の周辺部品は若干ことなつているものがあります。
以下で説明する事柄は、Ａｒｄｕｉｎｏボードのソケット部分に出力されたピン機能に関するもので、この部分の仕様は純正、互換ボードの全てにおいて同一のことが保証されていますから、特定互換機については述べません。また、システム開発ボーリュームからＡＴｍｅｇａ３２８以上のＭＣＵが搭載されたものを対象として話を進めます。Ａｒｄｕｉｎｏの場合はＡＴｍａｇａ１６８が採用されたボードも概ねＡＴｍｅｇａ３２８が採用された機種と同一の仕様になっています。
Ａｒｄｕｉｎｏボードは、下表 で示すように採用されているＭＣＵの種類ごとに大きく分けて次のようなボード区分けすることができます。
表． ＭＣＵ種別によるＡｒｄｕｉｎｏボードの分類
<ＭＣＵの種別> ＡＴｍｅｇａ３２Ｕ４
<ボード名称> Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｉｃｒｏ
<基本的な機能と特長> 表面実装されたＡＴｍｅｇａ３２Ｕ４が使用され、Ｆｌａｓｈメモリは３２ＫＢ，ＳＲＡＭ ２．５ＫＢ、ＥＥＰＲＯＭ １ＫＢになっている。Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏの廉価バージョンという位置づけです。２０のデジタル入出力ピンと１２のアナログ入力と１つのＵＳＢコネクタがあり、１６ＭＨｚの水晶発振子で駆動される。
基板サイズは４８ｍｍ×１８ｍｍです。
<ボード名称> Ａｒｄｕｉｎｏ Ｌｅｏｎａｌｄ
<基本的な機能と特長> 表面実装されたＡＴｍｅｇａ３２Ｕ４が使用され、Ｆｌａｓｈメモリは３２ＫＢ，ＳＲＡＭ ２．５ＫＢ、ＥＥＰＲＯＭ １ＫＢになっている。Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏの廉価バージョンという位置づけです。２０のデジタル入出力ピンと１２のアナログ入力と１つのＵＳＢコネクタがあり、１６ＭＨｚの水晶発振子で駆動される。
基板サイズは６８．６ｍｍ×５３．３ｍｍです。
<ＭＣＵの種別> ＡＴｍｅｇａ３２８
<ボード名称> Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏ
<基本的な機能と特長>
ＤＩＰタイプのＡＴｍｅｇａ３２８が使用され、Ｆｌａｓｈメモリは３２ＫＢ，ＳＲＡＭ ２ＫＢ、ＥＥＰＲＯＭ １ＫＢになっている。１４のデジタル入出力ピンと６のアナログ入力と１つのＵＳＢコネクタがあり、１６ＭＨｚの水晶発振子で駆動される。
基板サイズは６８．６ｍｍ×５３．４ｍｍです。
<ボード名称> Ａｒｄｕｉｎｏ Ｄｕｅｍｉｌａｎｏｖｅ
<基本的な機能と特長>
Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏの旧バージョンという位置づけです。
基板サイズは６８．６ｍｍ×５３．４ｍｍです。
<ボード名称> Ａｒｄｕｉｎｏ ｍｉｎｉ
<基本的な機能と特長>
表面実装されたＡＴｍｅｇａ１６８又はＡＴｍｅｇａ３２８が使用され、Ｆｌａｓｈメモリは１６ＫＢ，ＳＲＡＭ ２．５ＫＢ、ＥＥＰＲＯＭ １ＫＢになっている。Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏの廉価バージョンという位置づけです。１４のデジタル入出力ピンと８つのアナログ入力があり、ＵＳＢ機能はありませんが、１６ＭＨｚの水晶発振子で駆動される。
基板サイズは３０ｍｍ×１８ｍｍです。
<ボード名称> Ａｒｄｕｉｎｏ Ｐｒｏ ｍｉｎｉ
<基本的な機能と特長>
表面実装されたＡＴｍｅｇａ３２８が使用され、Ｆｌａｓｈメモリは３２ＫＢ，ＳＲＡＭ ２ＫＢ、ＥＥＰＲＯＭ １ＫＢになっている。Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏの旧バージョンという位置づけです。１４のデジタル入出力ピンと６のアナログ入力があり、１６ＭＨｚの水晶発振子で駆動される。ＵＳＢ機能は基板上にはなく信号ピンのみ出力されています。
基板サイズは３０ｍｍ×１８ｍｍです。
<ボード名称> Ａｒｄｕｉｎｏ Ｎａｎｏ
<基本的な機能と特長>
表面実装されたＡＴｍｅｇａ３２８が使用され、Ｆｌａｓｈメモリは３２ＫＢ，ＳＲＡＭ ２ＫＢ、ＥＥＰＲＯＭ ５１２か１ＫＢになっている。Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏの超小型バージョンという位置づけです。１４のデジタル入出力ピンとゆのアナログ入力と１つのＵＳＢコネクタがあり、１６ＭＨｚの水晶発振子で駆動される。
基板サイズは４５ｍｍ×１８ｍｍです。
<ＭＣＵの種別> ＡＴｍｅｇａ２５６０
<ボード名称> Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０
<基本的な機能と特長> 表面実装されたＡＴｍｅｇａ２５６０が使用され、Ｆｌａｓｈメモリは２５６ＫＢ，ＳＲＡＭ ８ＫＢ、ＥＥＰＲＯＭ ４ＫＢになっている。Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａの上位バージョンという位置づけです。５４のデジタル入出力ピンと１６のアナログ入力と４つのＵＡＲＴがあり、１６ＭＨｚの水晶発振子で駆動される。
基板サイズは１０１．５２ｍｍ×５３．３ｍｍです。
ＡＴ９１ＳＡＭ３ｘ８Ｅ
<ボード名称> Ａｒｄｕｉｎｏ Ｄｕｅ
<基本的な機能と特長> ３２ビットのＡｔｍｅｌ ＳＡＭ３Ｘ９ＥというＡＲＭのＣｏｒｅｔｅｘ－Ｍ３， ８４ＭＨｚのＭＣＵを採用している。Ａｒｄｕｉｎｏ Ｍｅｇａ ２５６０の上位に相当する。
Ｆｌａｓｈメモリは５１２ＫＢ，ＳＲＡＭ ９６ＫＢになっている。
基板サイズは１０１．５２ｍｍ×５３．３ｍｍです。
４．１．１ Ａｒｄｕｉｎｏボードの基本仕様の比較
表 Ａｒｄｕｉｎｏボードの基本仕様の比較
<マイクロコントローラ種別とＡｒｄｕｉｎｏボードの基本仕様の比較>
<基本仕様の内容> <ATmega32U4> <ATmega328> <ATmega2560> <AT91SAM3X>
・動作電圧 ５Ｖ ５Ｖ ５Ｖ ３．３Ｖ
・動作クロック周波数 １６ＭＨｚ １６ＭＨｚ １６ＭＨｚ ８４ＭＨｚ
・フラッシュメモリ ３２ＫＢ ３２ＫＢ ２５６ＫＢ ５１２ＫＢ
・ＳＲＡＭ ２．５ＫＢ ２ＫＢ ８ＫＢ ９６ＫＢ
・ＥＥＰＲＯＭ １ＫＢ １ＫＢ ４ＫＢ -
・デジタル入出力ピン ２４本 ２０本 ７０本 ７０本
(7本ＰＷＭ出力)(6本ＰＷＭ出力)(15本ＰＷＭ出力) (12本PWM出力)
・アナログ入力ピン 12本（10bit） 6本（10bit） 16本（10bit） 12本（）
・アナログ出力(DAC) － － － 2本（12bit）
４．１．２ 入出力ピンの番号と機能対応
表 入出力ピンの番号と機能対応
マイクロコントローラ種別と入出力ピン番号の機能対応
<機能ピンの種別> <ATmega32U4> <ATmega328> <ATmega2560> <AT91SAM3X>
・デジタル ０～１３ ０～１３ ０～５３ ０～５３
入出力ピン番号 14（MISO） 14～19（A0-A5) 54-69（A0-A15） 54-65（A0-A11）
15（SCK） 66(DAC1)
16（MOSI） 67(DAC2)
17（SS） 68(CANRX)
18-23（A0-A5 ） 68(CANTX)
・PWM出力PIN番号 3,4,6,9,11,13 3,4,6,9,10,11 2-13,44-46 2-13
・LED点灯PIN番号 １３ １３ １３ １３
・アナログ入力記号 （デジタル入出力ピンと共用）
A0～A5 A0～A5 A0～A15 A0～A15
A6-A1
(4,6,8,9,10,12)
・DAC出力PIN記号 ＤＡＣ１
ＤＡＣ２
上記のピン番号はＡｒｄｕｉｎｏボードにおけるＭＣＵピン番号のことで、機能からの分類では必ずしも同じピン番号にならないことに注意が必要です。
つまり、Ａｒｄｕｉｎｏのアナログ入力ポートのソケット位置（例えば、ＵｎｏとＭｅｇａのＡ０～Ａ５のソケット位置）はソケット位置は同じでも制御されるＭＣＵのピン番号は異っています。
ＵｎｏのアナログポートＡ０～Ａ５のピン番号は、ピン番号１４～１９ですが、Ｍｅｇａではピン番号５４～５９までが対応するピン番号ということになります。つまり、ＵｎｏボードとＭｅｇａボードのアナログポートをデジタル入出力ポートとして使用するような場合には、同じソケット位置のポートを使用する場合で有っても、そのときの操作ピン番号が異なることに注意が必要です。
このピン番号はピンモードの設定（ｐｉｎＭｏｄｅ）に使用されるｐｉｎ番号です。
< 関数の機能 > ｐｉｎ番号の入出力モード（mode）を設定する
Ａｒｄｕｉｎｏ Ｕｎｏにおけるアナログピン（Ａ０～Ａ５）は、本関数を使用すればデジタルピンとして使用することができるようになります。その場合、アナログピンＡ０がデジタルピン１４とし、順次Ａ５ピンがデジタルピン１９として扱えます。
< 構文 > pinMode( pin, mode )
引数 : pin : 処理対象となるｐｉｎの番号
mode : INPUT：ピン番号(pin)を入力ピンに設定する
OUTPUT：ピン番号(pin)を出力ピンに設定する
INPUT_PULLUP：ピン番号(pin)を内部プルアップした入力ピンに設定する
戻り値 なし
４．１．３ 外部割り込みに関するピン番号の対応
外部割り込みとは外部からの信号の状態によって、メイン処理に割り込んで指定するルーチン（プログラム）を実行するモードです。割り込みの処理はメインで行なっている全ての処理よりも優先してリアルタイムに実行されます。
下表 に示すように外部割り込みは特定なピンに対して発生させることができます。その場合、外部割り込み（ＩＮＴ０～ＩＮＴ５のような）は、Ａｒｄｕｉｎｏボード毎、より詳しくはＭＣＵ毎に異なったピンに対して行なわれる機能ということになります。
表 外部割り込みピンの番号対応
<マイクロコントローラの種別と外部割り込みとピン番号対応
<割り込み番号> <ATmega32U4> <ATmega328> <ATmega2560> <AT91SAM3X>
ＩＮＴ０ ３ ２ ２ （注 ）
ＩＮＴ１ ２ ３ ３
ＩＮＴ２ ０ － ２１
ＩＮＴ３ １ － ２０
ＩＮＴ４ － － １９
ＩＮＴ５ － － １８
（注 ） ＤｕｅのＡＴ９１ＳＡＭ３Ｘプロセッサでは全てのデジタルピンに対して外部入力を定義することができます。その場合、ＡｒｄｕｉｎｏではattachInterrupt()関数を使用して外部割り込みを設定します。
上記のピン番号はその割り込みを定義したときの割り込み信号ピンの番号ということになります。
Ａｒｄｕｉｎｏにおける外部割り込み番号は、前表に示す通りＩＮＴ０からＩＮＴ５です。
attachInterrupt()関数を使用することで所定のデジタルピンを外部割り込みの信号ソースとして使用することができるようになります。その場合、必ず割り込み処理を行う関数を作成しておかなくてはなりません。
< 関数の機能 > 割り込み番号で指定されたピンの状態による割り込みを設定する
Ｕｎｏの場合は、ＩＮＴ０，１が利用できます。この場合の割り込みソースピンの番号は次のようになります。
ＩＮＴ０ ： ピン番号 ２， ＩＮＴ１ ： ピン番号 ３
割り込み処理関数の中では、特定にポートの状態変化を待つようなポーリング処理を行ってはなりません。できる限り簡潔に処理を終了します。また、以下の事項に注意する必要があります。
・delay関数は機能しません
・millis関数の戻り値は増加しません
・シリアル通信により受信したデータは失われることがあります
・割り込み処理関数ないで使用する変数にはvolatileを付けて宣言しておきます
< 構文 > AttachInterrupt ( Interrupt , function, mode )
<引数> Interrupt : 処理対象となる割り込み番号 ０，１
function : 割り込み発生時に呼び出される関数
mode : LOW ：ピンの信号状態がＬＯＷの時に発生する
CHANGE ：ピンの信号状態が変化した時に発生する
RISING ：ピンの信号状態がＬＯＷからＨＩＧＨに変化した時に発生する
FALLING :ピンの信号状態がＨＩＧＨからＬＯＷに変化した時に発生する
<戻り値> なし
４．１．４ ハードウエアシリアルに関するピン番号の対応
ハードウエアシリアルとはＭＣＵの内部機能として提供されているシリアル通信のことです。
ハードウエアシリアルのサポート状況はＭＣＵの種別によって異なっています。
下表 で示す通り、ＡＴｍｅｇａ２５６０とＡＴ９１ＳＡ３Ｘは４つの独立したシリアル通信機能を有していますが、ＡＴｍｅｇａ３２８とＡＴｍｅｇａ３２Ｕ４は１つのみシリアル通信があります。
表 ハードウエアシリアルの機能ピンの番号対応
マイクロコントローラの種別とハードウエアシリアル機能ピンの番号と対応
<シリアル番号> <ATmega32U4> <ATmega328> <ATmega2560> <AT91SAM3X>
Ｓｅｒｉａｌ ＵＳＢ通信 ０（ＲＸ） １（ＴＸ） ０（ＲＸ）
１（ＴＸ） ０（ＲＸ） １（ＴＸ）
Ｓｅｒｉａｌ１ ０（ＲＸ） － １９（ＲＸ） １９（ＲＸ）
１（ＴＸ） － １８（ＴＸ） １８（ＴＸ）
Ｓｅｒｉａｌ２ － － １７（ＲＸ） １７（ＲＸ）
１６（ＴＸ） １６（ＴＸ）
Ｓｅｒｉａｌ３ － － １５（ＲＸ） １５（ＲＸ）
１４（ＴＸ） １４（ＴＸ）
４．１．５ ソフトウエアシリアルに関するピン番号の対応
ソフトウエアシリアルとはＭＣＵの内部機能ではなく、Ａｒｄｕｉｎｏのライブラリが提供するデジタルピンをシリアル機能ピンのように処理して提供されるシリアル通信のことです。
ソフトウエアシリアルのサポート状況はデジタルピンの状況がＭＣＵによって異なっていますから当然のことながら異なります。
下表 で示す通り、ＡＴｍｅｇａ２５６０とＡＴ９１ＳＡ３Ｘは４つの独立したシリアル通信機能を有していますが、ＡＴｍｅｇａ３２８とＡＴｍｅｇａ３２Ｕ４は１つのみシリアル通信があります。
表 ソフトウエアシリアルの機能ピンの番号対応
<マイクロコントローラの種別とソフトウエアシリアル機能ピンの番号と対応>
<シリアルの信号> <ATmega32U4> <ATmega328> <ATmega2560> <AT91SAM3X>
受信（ＲＸ） 8,9,10,11 0～19 任意 10,11,12,13 0～69 任意
14（ＭＩＳＯ） 50,51,52,53
15（ＳＣＫ） 62,63,64,65
16(MOSI)任意 66,67,68,69任意
送信（ＴＸ） 0～23 任意 0～19 任意 0～69 任意 0～19 任意
４．１．６ ＳＰＩに関するピン番号の対応
ＳＰＩ（Serial Peripheral interface）とはＭＣＵの内部機能として提供されているデバイス同士が４線で行なうシリアル通信機能のことです。
ＳＰＩ通信はハードウエアが提供するシリアル通信なので、サポート状況はＭＣＵによって異なっています。ＳＰＩにおけるデバイスの制御はＭＣＵ側がマスター、周辺装置側がスレーブというようにはっきりと分けられており、マスターデバイス（ＭＣＵ）が周辺装置のＳＳ信号を操作（信号がＬＯＷに設定）することでスレーブに通信許可を与えます。
下表 で示す通り、信号ピンは概ね固定ですが、スレーブデバイスを選択するピンの番号（ＳＳ）は任意のデジタルピンを使用してもかまいません。その場合は複数のデバイスとの通信が可能になります。ただし、この場合はＳＳ信号をユーザサイドが全てプログラムで制御しなくてはなりません。
あくまでも、Ａｒｄｕｉｎｏのライブラリを使用する場合は表 で指定する信号ピンを使用することが前提です。
複数のデバイスを下表 で示す４線のみで制御する場合には、信号線をディジーチェイン接続したうえで、ソフト側が適切なコマンド送出処理を行ってやる必要が生じます。
また、ＳＳ信号をデバイス毎に結線する場合はＳＳピンのポート制御によって、個別にデバイス通信が可能ですが、欠点として信号線が制御デバイス分必要になることです。
表 ＳＰＩの機能ピンの番号対応
・ＭＯＳＩ（Ｍａｓｔｅｒ Ｏｕｔ Ｓｌａｖｅ Ｉｎ）
・ＭＩＳＯ（Ｍａｓｔｅｒ Ｉｎ Ｓｌａｖｅ Ｏｕｔ）
・ＳＣＫ（Ｓｅｒｉａｌ Ｃｌｏｃｋ）
・ＳＳ（Ｓｌａｖｅ Ｓｅｌｅｃｔ）
・ＳＳ（Ｍａｓｔｅｒ）
<マイクロコントローラの種別とＳＰＩ機能ピンの番号と対応>
<ＳＰＩの信号種別> <ATmega32U4> <ATmega328> <ATmega2560> <AT91SAM3X>
ＭＯＳＩ ＩＣＳＰ４ １１ ５１／ＩＣＳＰ４ ＩＣＳＰ４
ＭＩＳＯ ＩＣＳＰ１ １２ ５０／ＩＣＳＰ１ ＩＣＳＰ１
ＳＣＫ ＩＣＳＰ３ １３ ５２／ＩＣＳＰ３ ＩＣＳＰ３
ＳＳ － １０ ５３ －
ＳＳ（Master） － － － 4,10,52
４．１．７ ＴＷＩに関するピン番号の対応
ＴＷＩ（I2C : Inter Integrated Circuit アイ・ツー・シー）とはＭＣＵの内部機能として提供されているマスターとスレーブデバイス同士がＳＤＡ信号線とＳＣＬの信号線の２線で行なうシリアル通信機能のことです。
ＴＷＩ 通信はハードウエアが提供するシリアル通信なので、サポート状況はＳＰＩド同様にＭＣＵによって異なっています。
下表 で示す通り、信号ピンは概ね固定ですが、スレーブデバイスに対する情報や返答はＳＣＬのクロック信号に同期する形でＳＤＡ信号線から情報を取得します。この通信の特長はＳＤＡとＳＣＬの信号線が制御に関連する全てのデバイスに同格に接続されていることです。情報自体はＳＤＡ線に対して発信することになりますが、このときデータの授受に関連して各デバイスにデバイス番号が振られていますから、所定のデータフォーマットに従っていれば特定なデバイスとの通信が２線だけでも可能になる訳です。
複数のデバイスを表 で示す２線のみで制御する場合には、信号線を各デバイスに接続したうえで、マスタソフト側が適切なコマンド送出処理を行ってやる必要が生じます。２線信号でデバイス制御手切る点は良いのですが、制御するデバイスにこの機能がサポートされていることとそれらデバイス間の距離が近い必要性が生じるという点が欠点としてあります。
表 TWIハードウエアシリアルの機能ピンの番号対応
マイクロコントローラの種別とハードウエアシリアル機能ピンの番号と機能対応
<回線種別> <ATmega32U4> <ATmega328> <ATmega2560> <AT91SAM3X>
ｗｉｒｅ A2（ＳＤＡ） A4（ＳＤＡ） A20（ＳＤＡ） A20（ＳＤＡ）
A3（ＳＣＬ） A5（ＳＣＬ） A21（ＳＣＬ） A21（ＳＣＬ）
ｗｉｒｅ１ － － － SDA1,SCL1
Ａｒｄｕｉｎｏボード Ｒ３以降、デジタルソケット側のＡＲＥＦピンの外側にＳＤＡとＳＣＬのソケットが追加されています。
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