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疑似コンソール (C言語編)
2023.12.01

YouTube でも紹介しています。画像をクリックすると再生できます。

以前、pythonを用いてリングバッファ擬きの疑似コンソールを作成しました。

疑似コンソール

今回は、C言語によりリングバッファを実装し、TFT LCDを疑似コンソール化してみます。



●リングバッファ


File:Ring.buffer.svg - Wikimedia Commons
リングバッファは、予め記憶領域を確保して、読み出し位置と書き込み位置をずらしながら処理を行い、領域の終端に到達したら、領域の先頭に繋げ無限ループ的に利用する仕組みです。

ここでは、疑似コンソール・クラス Console を作成して、inoファイルで使用する例を用いて説明します。

#include "Console.h"

Console console;

void setup()
{
	console.print("ABC",    TFT_GREEN);
	console.print("DEFGHI", TFT_YELLOW);
	console.print("JKL"   , TFT_GREEN);
	console.print("MNOP",   TFT_YELLOW);
}

void loop() {}



リングバッファのサイズは下記の通りです、
(色情報(COLOR565)2バイト+桁数+終端コード1バイト)×行数

2行5桁のLCDの場合、必要となるリングバッファのサイズは
(2+5+1)×2=16バイト

初回のconsole.print()関数呼び出しでは配列の先頭から、色情報2バイト、文字列、終端(NULLコード1バイトと埋めていきます。
LCD表示用データの範囲は配列の先頭から終端コードまでになります。

2回目の関数呼び出しでは、終端コードの次の位置からデータを埋めていきます。 ここで指定した文字列を表示するためには2行必要になるため、LCD表示用データの範囲もこれに合わせてシフトさせます。

3回目の関数呼び出しで単に終端コードに続けて埋めていってしまうとオーバーフローしてしまいます。 リングバッファとはいっても、円形に配列が繋がっているわけではありません。 配列の終端までデータが埋まった時点で、配列の先頭から続きのデータで上書きしていきます。
LCD表示データの開始位置は2回目に呼び出した際の文字列の途中からになるので、表示文字列の直前に色情報も付加します。

4回目の関数呼び出しも同様に処理していきます。

このような流れになるようにプログラム要件をまとめ、疑似コンソール・クラスにコードを記述しています。

ここにソースコードも記載しておきますが、まずはご自身で処理の流れを考えてコーディングしてみてください。 意外と面倒なことに気付くと思います。
下記のコードは、横240x縦320のディスプレイに表示フォントサイズ横12x縦16pxのフォントを使用した場合です。 実行環境に応じて、変更してください。

疑似コンソール・クラス Console
#include "Console.h"

Console::Console() {

	tft.init(240, 320);
	tft.setRotation(2);
	tft.setTextSize(2);   // 12px
	tft.setTextWrap(false);
	tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);

	width  = tft.width();
	height = tft.height();
	cols   = width  / FONT_WIDTH;
	rows   = height / FONT_HEIGHT;
	lines  = 0;

	stack = (uint8_t*)malloc(STACK_SIZE);
	if (!stack) {
		tft.setCursor(0, 0);
		tft.setTextColor(TFT_RED);
		tft.println("memory allocate failed!");
		while(1);
	} else {
		from = stack;
		to   = stack;
		memset(stack,'\0',sizeof(char)*(cols+1)*rows);
	}
}

Console::~Console() {}

void Console::backlight(uint8_t pin, uint8_t val)
{
	pinMode(pin,OUTPUT);
	analogWrite(pin, 64); // 0 - 255
}

void Console::print(char *text, uint16_t color)
{
	int       skip, cnt, line;
	uint16_t  c;
	uint8_t   *pos;
	uint8_t   cH, cL;
	char      prn_buff[512];
	boolean   nullflag;

	if (*text == 0x0) return;

	// stack text to the ring buffer
	*to = (uint8_t)(color>>8);
	if ((to+1)<(stack+STACK_SIZE)) to++; else to = stack;
	*to = (uint8_t)(color&0xff);

	skip = 0;
	cnt  = 0;
	while (1) {
		if ((to+1)<(stack+STACK_SIZE)) to++; else to = stack;
		*to = *text;
		if (++cnt == cols) {
			skip++;
			cnt = 0;
		}
		if (*text == 0x0) {
			if (cnt > 1) skip++;
			break;
		}
		text++;
	}
	if ((to+1)<(stack+STACK_SIZE)) to++; else to = stack;

	lines += skip;
	if (lines > rows) {
		skip = lines - rows;
		lines = rows;
	} else {
		skip = 0;
	}

	// shift the display start position
	while (skip > 0) {
		cH = *from;
		if ((from+1)<(stack+STACK_SIZE)) from++; else from=stack;
		cL = *from;
		if ((from+1)<(stack+STACK_SIZE)) from++; else from=stack;
		nullflag = false;
		while (skip > 0) {
			if (nullflag) break;
			cnt = 1;
			while (1) {
				if (*from == 0x0) {
					if (cnt > 1) --skip;
					if ((from+1)<(stack+STACK_SIZE)) from++; else from=stack;
					nullflag = true;
					break;
				} else {
					if (cnt == cols) {
						if ((--skip) == 0) {
							*from = cL;
							if (from == stack) from = stack + STACK_SIZE - 1; else --from;
							*from = cH;
							break;
						}
						cnt = 0;
					}
				}
				if ((from+1)<(stack+STACK_SIZE)) from++; else from=stack;
				cnt++;
			}
		}
	}

	tft.fillScreen(ST77XX_BLACK);
	line = 0;
	pos  = from;
	while(1) {
		c = *pos;
		if ((pos+1)<(stack+STACK_SIZE)) pos++; else pos=stack;
		c = (c<<8)&0xff00 + *pos;
		if ((pos+1)<(stack+STACK_SIZE)) pos++; else pos=stack;
		tft.setTextColor(c);

		cnt = 1;
		while (1) {
			prn_buff[cnt-1] = *pos;
			if (*pos == 0x0) {
				if (cnt > 1) {
					tft.setCursor(0, line*FONT_HEIGHT);
					tft.print(prn_buff);
					line++;
				}
				if ((pos+1)<(stack+STACK_SIZE)) pos++; else pos=stack;
				break;
			}
			if (!(cnt%cols)) {
				prn_buff[cnt] = 0x0;
				tft.setCursor(0, line*FONT_HEIGHT);
				tft.print(prn_buff);
				line++;
				cnt = 0;
			}
			if ((pos+1)<(stack+STACK_SIZE)) pos++; else pos=stack;
			cnt++;
		}
		if (pos == to) break;
	}
}

疑似コンソール・ヘッダーファイル
#ifndef __CONSOLE_H
#define __CONSOLE_H

#include <Adafruit_GFX.h>    // Core graphics library
//#include <Adafruit_ST7735.h> // Hardware-specific library for ST7735
#include <Adafruit_ST7789.h> // Hardware-specific library for ST7789
#include <SPI.h>
#include "stdint.h"

#define TFT_CS         A10
#define TFT_RST        A11
#define TFT_DC         A12
#define TFT_LIT        A13

#define TFT_BLACK       0x0000      /*   0,   0,   0 */
#define TFT_NAVY        0x000F      /*   0,   0, 128 */
#define TFT_DARKGREEN   0x03E0      /*   0, 128,   0 */
#define TFT_DARKCYAN    0x03EF      /*   0, 128, 128 */
#define TFT_MAROON      0x7800      /* 128,   0,   0 */
#define TFT_PURPLE      0x780F      /* 128,   0, 128 */
#define TFT_OLIVE       0x7BE0      /* 128, 128,   0 */
#define TFT_LIGHTGREY   0xC618      /* 192, 192, 192 */
#define TFT_DARKGREY    0x7BEF      /* 128, 128, 128 */
#define TFT_BLUE        0x001F      /*   0,   0, 255 */
#define TFT_GREEN       0x07E0      /*   0, 255,   0 */
#define TFT_CYAN        0x07FF      /*   0, 255, 255 */
#define TFT_RED         0xF800      /* 255,   0,   0 */
#define TFT_MAGENTA     0xF81F      /* 255,   0, 255 */
#define TFT_WHITE       0xFFFF      /* 255, 255, 255 */
#define TFT_ORANGE      0xFDA0      /* 255, 180,   0 */
#define TFT_YELLOW      0xB7E0      /* 180, 255,   0 */
#define TFT_PINK        0xFC9F
#define TFT_AQUAMARINE  0x6675      /* 102,205,170 */
#define TFT_WHEAT       0xF756      /* 245,222,179 */

#define STACK_SIZE 512
#define FONT_WIDTH  12
#define FONT_HEIGHT 16

class Console
{
	private:
		uint8_t  cols, rows, lines;
		uint16_t width, height;
		uint8_t  *stack;
		uint8_t  *from, *to;
		char     prn_buff[256];

	public:
		Console();
		~Console();
		Adafruit_ST7789 tft = Adafruit_ST7789(TFT_CS, TFT_DC, TFT_RST);
    void print(char *text, uint16_t color);
    void backlight(uint8_t pin, uint8_t val);
};

#endif /*__CONSOLE_H*/

それでは、実際に動かしてみます。

●NodeMCU-32S / HiLetgo ESP-WROOM-32 ESP-32S WiFi + Bluetooth Dev Board
今回は激安で手に入れたNodeMCU-32Sを使いました。 使用するLCDの表示サイズに合わせて、メモリを確保できるマイコンボードを用意してください。

ESP32S-HiLetgo Dev Boad with Pinout Template

●2.0" 320x240 Color IPS TFT Display with microSD Card Breakoutd
表示に使用するフォントに横12ドット、縦16ドットを使用したので、このTFTを縦置きで使用した場合に、このTFTでは横20文字、縦20行になります。

ADA4311
3-5V / Vin - this is the power pin, connect to 3-5VDC - it has reverse polarity protection but try to wire it right!
3Vo - this is the 3.3V output from the onboard regulator
GND - this is the power and signal ground pin
SCK - this is the SPI clock input pin. Use 3-5V logic level
MISO - this is the SPI Microcontroller In Serial Out pin, it's used for the SD card. It isn't used for the TFT display which is write-only. It is 3.3V logic out (but can be read by 5V logic)
MOSI - this is the SPI Microcontroller Out Serial In pin, it is used to send data from the microcontroller to the SD card and/or TFT. Use 3-5V logic level
CS - this is the TFT SPI chip select pin. Use 3-5V logic level
RST - this is the TFT reset pin. Connect to ground to reset the TFT! It's best to have this pin controlled by the library so the display is reset cleanly, but you can also connect it to the Arduino Reset pin, which works for most cases. There is an automatic-reset chip connected so it will reset on power-up. Use 3-5V logic level
D/C - this is the TFT SPI data or command selector pin. Use 3-5V logic level
SD Card CS / SDCS - this is the SD card chip select, used if you want to read from the SD card. Use 3-5V logic level
BL - this is the PWM input for the backlight control. It is by default pulled high (backlight on) you can PWM at any frequency or pull down to turn the backlight off. Use 3-5V logic level

 ST7789  -  NodeMCU-32S  -  Raspberry Pi 
  VIN   -  #1 3.3V        
  GND   -  #38 GND        
  SCK   -  #30 SCK        
  MISO  -  #31 MISO        
  MOSI  -  #37 MOSI        
  CS  -  #26 (GPIO4)        
  RESET  -  #25 (GPIO0)        
  D/C  -  #24 (GPIO2)        
 BACKLIGHT  -  #23 (GPIO15)       
       USB   -  USB 



ソースコードのビルドには、PlatformIOを使用しています。
Arduino開発環境構築 PlatformIO

$ pio boards NodeMCU-32S
Platform: espressif32
==================================================================
ID           MCU     Frequency Flash RAM   Name
------------ ------- --------- ----- ----- -----------------------
nodemcu-32s2 ESP32S2 240MHz    4MB   320KB Ai-Thinker NodeMCU-32S2
nodemcu-32s  ESP32   240MHz    4MB   320KB NodeMCU-32S
プロジェクトの作成
$ mkdir -p ~/NodeMCU-32S/console
$ cd ~/NodeMCU-32S/console
$ pio init -b nodemcu-32s
$ pio run -t upload

●活用例

今回の疑似コンソールを作成するにあたり、テキストに色情報を付加した理由は、 2つのシリアルポートを使って、双方向通信の情報を識別して監視するのが目的でした。

●応用
リングバッファのサイズを大きくすると、表示履歴を遡るようにすることも可能です。

 Raspberry Pi(ラズベリー パイ)は、ARMプロセッサを搭載したシングルボードコンピュータ。イギリスのラズベリーパイ財団によって開発されている。
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2024.02.07 オリジナル micro:bit
2024.02.23 ESP32 OTA
2024.03.08 TELNETサーマルプリンター


Arduinoで学ぶ組込みシステム入門(第2版)
●Arduinoを使って組込みシステム開発を理解する
・ハードウェアやソフトウェアなどの基礎知識/ ・設計から実装までを系統的に説明するモデルベース開発/ ・Arduinoを用いた実際の開発例

最新 使える! MATLAB 第3版
◆◆すぐに「使える!」 全ページフルカラー!◆◆
・MATLAB R2022bに対応し、解説もより詳しく!/ ・コマンド・スクリプトの例が豊富で、動かして学べる!/ ・超基本から解説。これから使いはじめる人にぴったり!/ ・全編フルカラー、スクリーンショットも豊富!

Amazon Web Services基礎からのネットワーク&サーバー構築改訂4版
1.システム構築をインフラから始めるには/ 2.ネットワークを構築する/ 3.サーバーを構築する/ 4.Webサーバーソフトをインストールする/ 5.HTTPの動きを確認する/ 6.プライベートサブネットを構築する/ 7.NATを構築する/ 8.DBを用いたブログシステムの構築/ 9.TCP/IPによる通信の仕組みを理解する

C言語は第二の母国語: 独学学生時代から企業内IT職人時代に培った、独立のための技術とノウハウ 平田豊著
学生時代から独学でプログラミングをはじめ、企業内でデバイスドライバを開発し、そして独立後もたくさんのアプリケーション開発や技術書制作に携わってきた著者。その筆者が大事に使い続ける「C言語」の“昔と今”について、気づいたことや役立つ知識、使ってきたツールなどについて、これまで記してきたことを整理してまとめました。 本書では、現役プログラマーだけでなく、これからプログラミングを学ぶ学生などにも有益な情報やノウハウを、筆者の経験を元に紹介しています。

1冊ですべて身につくJavaScript入門講座
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Interface 2023年6月号
特集:第1部 フィルタ設計 基礎の基礎/ 第2部 係数アプリや波形観測アプリで合点!FIR&IIRフィルタ作り/ 第3部 配布プリント基板で体験!マイコンで動くフィルタ作り

日経Linux 2023年5月号
【特集 1】 AI時代の最強フリーソフト ~ 25のやりたいを実現! 【特集 2】 AWS、Azureのうまみを無料で体感!面倒なことはクラウドに任せよう 【特集 3】 新しいRaspberry Pi Cameraで遊んでみよう 【特集 4】 Linuxで旧型PCを復活! 1kg切るモバイルPCを「ChromeOS Flex」でChromebook化

ラズパイマガジン2022年秋号
特集:5大人気ボード 電子工作超入門
「半導体不足で在庫が不足し、電子工作のボードがなかなか買えない…」。そんな今にふさわしい特集を企画しました。5種の人気ボードにすべて対応した電子工作の入門特集です。「GPIO」や「I2C」を使った電子パーツの制御方法は、どのボードでも同じです。手に入れられたボードを使って、今こそ電子工作を始めましょう。

地方で稼ぐ! ITエンジニアのすすめ
学歴、理系の知識、専門スキル……全部なくてもITエンジニアになれる! 地方でも高収入でやりがいをもって働ける!ITエンジニアの魅力を一挙大公開

Raspberry Piのはじめ方2022
本書は、ラズパイやPicoの買い方やインストール、初期設定といった基本から、サーバー、電子工作、IoT、AIといったラズパイならではの活用方法まで、1冊でお届けします。 ラズパイをこれから始める方向けに、全36ページの入門マンガ「女子高生とラズベリーパイ」も巻末に掲載。これを読むだけでラズパイがどんなものなのか、すぐに分かって触れるようになります。

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