開発環境の進化はプログラミングを簡単にする

高校生モノづくりコンテスト電子回路部門は、課題プログラムに使うCPUボード、プログラミング言語と開発環境を自由に選ぶことが出来ます。

組み込み用CPUの性能と開発環境は、十年二昔の勢いで進歩していて、どのCPUや開発環境を選ぶかがコンテストの成績に大きく影響します。
野球では金属と木のバットで飛距離が違い、高校野球で使える金属バットがプロ野球で使えなかったりしますが、ものづくりコンテストのプログラムで使う開発環境の影響はそれより桁違いに大きいものです。

ですから、モノづくりコンテストにチャレンジするにあたって、開発環境として何を選ぶかが重要になります。

開発環境の進化がもたらすもの

開発環境の進化がもたらすものはプログラミングの効率化です。
開発環境が一世代進化するごとに、少ないプログラムサイズで楽に高度な処理が書けるようになってきました。

例えば、高校生モノづくりコンテスト全国大会の課題は、トップクラスのプログラミング能力を持つ生徒が、平均的な開発環境を使って、制限時間内に解くのが難しいレベルに設定される傾向があります。
課題を解くにはプログラムを書く能力だけではなく、課題を解くアルゴリズムを考える能力も必要ですが、平均的な開発環境の半分の時間でプログラムが書ける開発環境を使うのと、平均の倍の時間がかかる旧世代の開発環境を使うのでは大きな差があります。

CPU初期化プログラムの効率化

最近の組み込み用CPUは高度な周辺機能を内蔵して、高性能になった反面、周辺機能を初期化するために複雑なレジスタ設定が必要になっています。
そして、わかりにくいデータシートを見ながら、数多いCPUと接続するハードウェアに合わせて、ひとつの間違いも無くレジスタに設定する値を調整するまではCPUは正常に動作しません。
これが、組み込みプログラムが難しいと思われる理由のひとつになっていて、Arduinoはこの部分を徹底的に標準化することで、誰でも簡単に組み込みプログラムが始められるようにすることに成功しました。

CPUの性能を最大限に発揮する必要がある本格的な組み込みプログラムの分野では、標準化による初期化プログラムの簡略化という手法を取ることは出来ませんでしたが、最近になっていくつかの組み込みCPUメーカーから「GUI画面で周辺機能パラメータを設定し、自動的に初期化プログラムを生成する。」という手法を使った開発環境が提供されて、実用的レベルになってきました。

MPLAB-Xに内蔵されたMCCがそのひとつで、MCCを使えばデータシートを見なくても簡単に初期化プログラムが完成します。
簡単とはいっても周辺機能に関する知識は必要ですが、周辺機能とレジスタの対応を考えなくても初期化が出来るようになったのは非常に大きな進歩と言えます。

Arduinoのタイマー割り込み

本格的な組み込みプログラムではタイマー割り込みが必須になります。

Arduinoは割り込みをサポートしていて、ピンの信号変化で割り込み関数を呼び出すことが出来ますが、タイマー割り込みの扱いはどうなっているのか、

Arduino(1.8.9)でタイマー割り込みについて調べてみました。

Arduinoではタイマー割り込みの使用は非推奨

Arduinoユーザーにも、一定時間ごとに割り込み関数を呼び出すタイマー割り込みを使いたいと思う人はいて、Webを検索するとタイマー割り込み関連の記事が見つかりますが、古い情報が多いようです。
高校生ものづくりコンテストのQandAにも割り込み関連の質問がありました。

【質問内容】
Arduinoの使用している。TimerOne.hというヘッダファイルは
公式に認められているか?
【 回 答 】
持ち込みヘッダファイルについてはあくまでもレジスタ・ポート端子の定義、割込み(禁止・許
可)の定義について許可をします。
TimerOne.h、MsTimer2.h等については認めません。

第19回高校生ものづくりコンテスト全国大会(近畿大会)課題の質問・回答

タイマー割り込みをサポートするヘッダファイルTimerOne.h、 MsTimer2.hは今のArduinoでは廃止となっていて、タイマー割り込みの使用は非推奨になっているようです。

高校生ものづくりコンテストに持ち込み可能なヘッダファイル

高校生ものづくりコンテストのルールでは、次のように簡単なヘッダファイルの持ち込みは認められています。

(b)ヘッダファイル mono_con.h(制御用マイコンのレジスタ,ポート定義,割込み定義
を含む ヘッダファイル) の出力リスト(使用しない場合は提出しなくても良い)

しかし、TimerOne.h等にはレジスタ、ポート定義、割り込み定義以外の情報が含まれていると判断されたのでしょう。

ただ、開発環境として使用を認められているArduino IDEにはもっと複雑な情報を含むヘッダファイルが多く入っていますし、TimerOne.hが入っていた古いバージョンを使えばOKということになります。

MPLAB-Xを使えば、MCCで定義すると自動的に割り込み関連の関数やヘッダーが生成されます。
それを考えるとArduinoのTimerOne.hを認めないのは不公平に思えますが、決められたルールで運用する以上、やむを得ないことなのでしょう。

マイコンカーラリーのように、特定メーカーの特定CPUボードしか認めないことにすれば、厳密に公平な運用が可能となりますが、特定メーカーへの利益供与につながりますし、CPUと開発環境の革新が著しいこの分野でツールを固定することは役に立たないプログラミング教育に繋がります。