半導体って「導体と絶縁体の中間」って説明されるけど、実感としてよくわからなかった。自分の中では導体か絶縁体しかなくて、半導体は特別なイメージがあった。

しかし、調べてみると、まさに「導体と絶縁体の中間」という説明がそのままイメージとして理解できた。2種類の半導体 (N型、P型) について理解するのがてっとりばやかった。なぜ今までこれを理解しようと思わなかったのか、恥ずかしい。普通に Wikipedia に載っている画像がわかりやすかった。

導体は自由に動ける電子がたくさんある物質、絶縁体は逆に自由に動ける電子が殆どない物質、半導体はその中間。

N型 (Negative)

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:N-doped_Si.svg

電子が多少余っている半導体。電子の電荷はマイナスなので、電子が多いと全体としては負、すなわちネガティブになる。

P型 (Positive)

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%95%E3%82%A1%E3%82%A4%E3%83%AB:P-doped_Si.svg
電子が足りていない半導体。電子がない分、相対的に正、すなわちポジティブになる。この穴のことを正孔といい、電流と同じ方向に移動する。

PN接合ダイオード

P型とN型を接合すると、片方には電子が余り、片方には電子が足りていない状態になる。
接合部付近では、電子と正孔が結合してしまうので、何もない部分ができる。これが空乏層。

ここで、P型側に+、N型側に-の電圧をかける (順方向) と、ダイオード内に正孔・電子が供給され、空乏層が狭くなり、電流が流れはじめる。

逆に、P型側に-、N型側に+の電圧をかける (逆方向) と、ダイオード内の正孔・電子が現象し、空乏層が電圧に応じて増え、電流は流れない。

アマチュア局は、第8章とそこから示されている第4章だけ読めばいい。ぼーっとしていて、ほかの章をうかつに読むと微妙に違う規則があって紛らわしいので、読みかたに注意する必要がある。

http://www.tele.soumu.go.jp/search/area/all_index.htm

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ひととおり法規をやってみると、この3つがどうしても意味不明だった。

電波法施行規則 第二条

五十六  「割当周波数」とは、無線局に割り当てられた周波数帯の中央の周波数をいう。
五十七  「特性周波数」とは、与えられた発射において容易に識別し、かつ、測定することのできる周波数をいう。
五十八  「基準周波数」とは、割当周波数に対して、固定し、かつ、特定した位置にある周波数をいう。この場合において、この周波数の割当周波数に対する偏位は、特性周波数が発射によつて占有する周波数帯の中央の周波数に対してもつ偏位と同一の絶対値及び同一の符号をもつものとする。
五十九  「周波数の許容偏差」とは、発射によつて占有する周波数帯の中央の周波数の割当周波数からの許容することができる最大の偏差又は発射の特性周波数の基準周波数からの許容することができる最大の偏差をいい、百万分率又はヘルツで表わす。
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http://law.e-gov.go.jp/htmldata/S25/S25F30901000014.html

割当周波数、特性周波数はなんとなくわかるような気がするけど、基準周波数の説明が意味不明すぎる。そのうえで、「周波数の許容偏差」を読むと、全く意味がわからない。

ググってみたり、よく理解に努めようとして要約すると以下のようになるようだ。

  • 特性周波数 → 外部から測定できる周波数 (実際出てる電波の周波数)
  • 割当周波数 → 免許状に書かれているやつ。アマチュアの場合帯域が広いのでイメージしずらい。許可された帯域の中央の周波数
  • 基準周波数 → 無線機に表示されている周波数

こう考えたうえで

五十九 「周波数の許容偏差」とは、発射によつて占有する周波数帯の中央の周波数の割当周波数からの許容することができる最大の偏差又は発射の特性周波数の基準周波数からの許容することができる最大の偏差をいい、百万分率又はヘルツで表わす。

は言葉のイメージさえ掴めれば、あとよく読めば実用上(?)十分に理解できるレベルになる

  • 発射した電波と割当周波数とを比べた値 (発射した電波が占有する周波数帯の中央の周波数、割当周波数)
  • 外部から観測できる周波数と無線機が表示している周波数を比べた値 (特性周波数、基準周波数)

が、一定の許容範囲にあること。現実と理想を比べてる。搬送波ありの信号で考えたら言葉さえわかれば言ってることは難しくない。

しかし、「発射によつて占有する周波数帯の中央の周波数」と「特性周波数」の違いがわかりにくい。AM (A3E) の場合はどちらも一緒になりそうだけど、単側波帯の場合は違いそう。USB の場合上にずれるのかな。調べてもよくわからなかった。

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  3. 法規:特性周波数・割当周波数・基準周波数

Mac の場合 AVR Studio を使えないので、いろいろ不便である。しかし一応開発環境がととのった。結構ググったけど、このようにして開発している人は少ないのか、はたまた情報発信しないのか、あまり gdb まで使ってやってる記事がなかった。

CrossPack-AVR のインストール

avr-gcc (AVR 用のクロスコンパイラー) や avrdude (書きこみツール) の Mac 向けにコンパイル済みパッケージ。配ってるのでインストールするだけでいい。

CrossPack for AVR を普通にダウンロードしてインストーラーからインストールするだけ。

普通 OS X の path_helper によって自動的に PATH が通るので、そのまま Terminal.app で avr-gcc が実行できるようになる。path_helper のパーミッションを落として使ってる場合自力で /usr/local/CrossPack-AVR/bin のパスを通す。

これさえ入れておけば実機開発はできる。

simavr の build

まずレポジトリを clone する。

$ git clone git://gitorious.org/simavr/simavr.git
$ cd simavr/simavr

simavr のビルドは CrossPack-AVR + Mac だと1発では通らない。以下のようにパスの指定が必要。あと、なんか変な状態になったりするので make clean と make を何回かやってみたほうがいいと思う。

make all V=1 AVR_ROOT=/usr/local/CrossPack-AVR AVR_INC=/usr/local/CrossPack-AVR/avr


これでシミュレーションまでできるようになった。

avr-project の Makefile 書き換え

CrossPack-AVR に avr-project というコマンドがついてくる。

$ avr-project Foo

とかやると Foo/firmware 以下に Makefile とかを作ってくれる。Foo.xcodeproj というのも作ってくれるけど、ハマりそうなので使ってない。

デバッグオプション付きでコンパイルするようにする。RELEASE=1 をつけない場合デバッグモード。最適化オプション -Os はどっちも付けてるんだけど、ちょっとどうすべきかわからない。デバッグ時 -Os をつけずに書きこむときだけ -Os をつけたらループが意図せず削除されたとき大変ハマりそうだなーと思う。いっそ -O0 のほうがいいのかもしれないけど……

ifeq ($(RELEASE),1)
COMPILE_OPT = -Os
else
COMPILE_OPT = -Os -g3 -gdwarf-2
endif

AVRDUDE = avrdude $(PROGRAMMER) -p $(DEVICE)  
COMPILE = avr-gcc -Wall $(COMPILE_OPT) -DF_CPU=$(CLOCK) -mmcu=$(DEVICE)

でもってターゲットも足す

run:	all
	~/project/simavr/simavr/run_avr -g -mcu $(DEVICE) -freq $(CLOCK) main.hex &
	avr-gdb

さらに .gdbinit ファイルをつくる

file ./main.elf
target remote localhost:1234
load
break main
continue

make run をするとコンパイルされて、simavr をバックグランドで起動し、それにGDB接続する、とりあえず main 関数の最初で止まる (はず)。

自分は avr-project は使っていなくて、自作のテンプレート作成ツールを使っている AVR のテンプレート

実際のデバッグ

普通に GDB を使うだけだけどメモ

  • p foobar
    • 変数を表示
  • p/t PORTB
    • PORTB を2進数で表示
  • p set_bit(PINB, 1)
    • PINB の 1 bit 目を立てる (set_bit は自分で定義したもの)
    • 外部入出力をシミュレーションさせるのは結構骨が折れる感じなので、簡易的には、これで外部入力をシミュレーションできる
    • 外部入出力とかはもうさっさと書きこんでデバッグしたほうがトータルで早いと思う…

実機書き込み

書き込み装置は、ここで変にハマると自分には問題解決できる能力がないところなので、純正の AVR ISP Mark II を使った。

この場合 Makefile の PROGRAMMER は以下のようになる

PROGRAMMER = -c avrispmkII -P usb

DEVICE はチップ名にあわせる。ATTiny2313 なら、そのまま DEVICE = attiny2313 でいける。

AVR ISP Mark II は 3x2 PINヘッダなので、このままだとブレッドボートで使えない。なので 1x6 PINヘッダに適当に変換してる。手元にあったピンヘッダがついてる余ってる平行ケーブルを使った。持ってるブレッドボートが狭くてつらい。

その他メモ

avr-gdb 上での _delay_ms() が非常に遅い。

これはいわゆるビジーループなので、動作周波数を下げることで早くデバッグすることができる。

make run CLOCK=10
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