前回は、analogReadの高速化にチャレンジした。
今回は、digitalReadやdigitalWrite、pinModeの高速化にトライしてみる。
１．高速化の原理＆Arduinoのピン配置
Arduinoのデジタル入力/デジタル出力を高速化するには、Arduinoの関数(digitalRead()など)を使わずに、
マイコンのレジスタを直接操作することで行う。
この際、ピン番号の指定はArduinoのピン番号ではなく、マイコンのピン名を指定しなければならない。
Arduino UNOの場合は、ATmega328Pというマイコンを使っているので、このマイコンのピン名と
Arduinoのピン番号の関連付けを調査した。
上の図は、Arduino.ccのサイトから抜粋したものである。
これを見ると、Arduinoのdigital pin 7はマイコンのPD7と、digital pin 13はマイコンのPB5と
紐づいていることがわかる。
２．高速化の方法
◆digitalRead ： デジタル入力の高速化
ポート入力レジスタ(読み取り専用)のPINxレジスタを使って、高速化する。
PDのところを読み込みたい場合は『PIND』、PBのところを読み込みたい場合は『PINB』とする。
◆digitalWrite ： デジタル出力の高速化
ポートデータレジスタであるPORTxレジスタの該当ビットへ、HIGH, LOWを直接代入することで高速化する。
PDのところを動かしたい場合は『PORTD』、PBのところの場合は『PORTB』とする。
HIGHの時はPORTxと_BV()の間を『|=』で括る。
LOWの時は、PORTxと~_BV()の間を『&=』で括る。
複数ピンを同時に操作する場合は、以下のようにする。
◆pinMode ： ピンモード選択の高速化
ポート方向レジスタであるDDRxレジスタの該当ビットへ、OUTPUT, INPUTを直接セットすることで高速化する。
PDのところを操作したい場合は『DDRD』、PBのところの操作は『DDRB』とする。
OUTPUTの時はDDRxと_BV()の間を『|=』で括る。
INPUTの時は、DDRxと~_BV()の間を『&=』で括る。
３．高速化の検証
下記スケッチでdigitalReadの高速化の検証を行った。
digitalRead 100,000回の実行時間は238,944[us]だったので、1回あたり2.39[us]だった。
一方、高速化して100,000回実行した結果は44,020[us]だったので、1回あたり0.44[us]となった。
レジスタから直接読み取ることで、digitalRead関数を使った時より5倍強の高速化をすることができた。
今回は、digitalReadやdigitalWrite、pinModeの高速化にトライしてみる。
参考にしたもの Arduinoの高速化 | なんでも独り言 Arduinoプログラムの高速化 ポート・レジスタについての説明 | Arduino 日本語リファレンス ATmega168/328P-Arduino Pin Mapping | Arduino.cc (英語) |
１．高速化の原理＆Arduinoのピン配置
Arduinoのデジタル入力/デジタル出力を高速化するには、Arduinoの関数(digitalRead()など)を使わずに、
マイコンのレジスタを直接操作することで行う。
この際、ピン番号の指定はArduinoのピン番号ではなく、マイコンのピン名を指定しなければならない。
Arduino UNOの場合は、ATmega328Pというマイコンを使っているので、このマイコンのピン名と
Arduinoのピン番号の関連付けを調査した。
上の図は、Arduino.ccのサイトから抜粋したものである。
これを見ると、Arduinoのdigital pin 7はマイコンのPD7と、digital pin 13はマイコンのPB5と
紐づいていることがわかる。
２．高速化の方法
◆digitalRead ： デジタル入力の高速化
ポート入力レジスタ(読み取り専用)のPINxレジスタを使って、高速化する。
PDのところを読み込みたい場合は『PIND』、PBのところを読み込みたい場合は『PINB』とする。
int val = digitalRead(7); ↓ int val = PIND & _BV(7); int val = digitalRead(13); ↓ int val = PINB & _BV(5); |
◆digitalWrite ： デジタル出力の高速化
ポートデータレジスタであるPORTxレジスタの該当ビットへ、HIGH, LOWを直接代入することで高速化する。
PDのところを動かしたい場合は『PORTD』、PBのところの場合は『PORTB』とする。
HIGHの時はPORTxと_BV()の間を『|=』で括る。
LOWの時は、PORTxと~_BV()の間を『&=』で括る。
digitalWrite(7, HIGH); ↓ PORTD |= _BV(7); digitalWrite(13, LOW); ↓ PORTB &= ~_BV(5); |
複数ピンを同時に操作する場合は、以下のようにする。
PORTD |= _BV(5) | _BV(6) | _BV(7); PORTD &= ~(_BV(5) | _BV(6) | BV(7)); |
◆pinMode ： ピンモード選択の高速化
ポート方向レジスタであるDDRxレジスタの該当ビットへ、OUTPUT, INPUTを直接セットすることで高速化する。
PDのところを操作したい場合は『DDRD』、PBのところの操作は『DDRB』とする。
OUTPUTの時はDDRxと_BV()の間を『|=』で括る。
INPUTの時は、DDRxと~_BV()の間を『&=』で括る。
pinMode(7, OUTPUT); ↓ DDRD |= _BV(7); pinMode(13, INPUT); ↓ DDRB &= ~_BV(5) |
３．高速化の検証
下記スケッチでdigitalReadの高速化の検証を行った。
void setup() {
// シリアルポート初期化
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
int moji;
// シリアルポートより、文字を1字読み込む
moji = Serial.read();
// 文字入力があった場合のみif関数を実行
if(moji != -1){
// 開始時間を記録
unsigned long StartTime = micros();
// 100,000回 digitalReadを実行
for(long i=0; i<100000; i++){
int val = digitalRead(7);
}
// digitalRead後の時間を記録
unsigned long CheckTime = micros();
// 100,000回 高速化を実行
for(long i=0; i<100000; i++){
int val = PIND & _BV(7);
}
// 高速化Read後の時間を記録
unsigned long StopTime = micros();
// 結果を出力
Serial.print("digitalRead(100,000cyc) = ");
Serial.print(CheckTime - StartTime);
Serial.println(" [us]");
Serial.print("Speed-Up Read(100,000cyc) = ");
Serial.print(StopTime - CheckTime);
Serial.println(" [us]");
}
}
|
digitalRead 100,000回の実行時間は238,944[us]だったので、1回あたり2.39[us]だった。
一方、高速化して100,000回実行した結果は44,020[us]だったので、1回あたり0.44[us]となった。
レジスタから直接読み取ることで、digitalRead関数を使った時より5倍強の高速化をすることができた。
