パララックスプロペラ

Parallax P8X32A Propellerは、8つの32ビットRISC（縮小命令セットコンピュータ）中央処理装置（CPU）コアを備えたマルチコアプロセッサ並列コンピュータ アーキテクチャマイクロコントローラチップです。 ^{[1] [2] 2006年に導入され、} Parallax, Inc.によって設計および販売されています。

Propeller マイクロコントローラ、Propellerアセンブリ言語、および Spinインタプリタは、Parallax の共同設立者兼社長である Chip Gracey によって設計されました。Spinプログラミング言語とPropeller Tool 統合開発環境(IDE) は、Chip Gracey と Parallax のソフトウェア エンジニアである Jeff Martin によって設計されました。

2014年8月6日、Parallax Inc.は、Propeller 1 P8X32Aのすべてのハードウェアとツールを、GNU General Public License (GPL) 3.0に基づくオープンソースのハードウェアとソフトウェアとしてリリースしました。これには、 Verilogコード、トップレベルのハードウェア記述言語(HDL) ファイル、Spinインタープリタ、PropellerIDEおよびSimpleIDEプログラミングツールとコンパイラが含まれていました。^[3]

2020年にPropeller 2（P2X8C4M64P）がリリースされました。

8 つの 32 ビット コア (コグと呼ばれる)にはそれぞれ中央処理装置(CPU) があり、512 個の 32 ビット長ワード(2  KB ) の命令とデータにアクセスできます。自己変更コードが可能であり、たとえばブート ローダーがSpin インタープリターで自分自身を上書きするときに内部で使用されます。Spin のサブルーチン (オブジェクト ベースの高レベル コード) は、コールスタックの使用を必要とするコール リターン メカニズムを使用します。アセンブリ (PASM、低レベル) コードにはコール スタックは必要ありません。共有メモリ (32 KB のランダム アクセス メモリ(RAM)、32 KB の読み取り専用メモリ(ROM)) へのアクセスは、ハブと呼ばれる内部コンピュータ バスコントローラによってラウンドロビン スケジューリングによって制御されます。各コグは、2 つの専用ハードウェア カウンタと、PAL、NTSC、VGA、サーボ機構制御などのタイミング信号を生成するための特別なビデオ ジェネレータにもアクセスできます。^[4]

Propeller は、内部のオンチップ発振器(部品の総数は少なくなりますが、精度と熱安定性が多少犠牲になります) または外部の水晶発振器またはセラミック共振器(総コストは高くなりますが、最高速度と精度が向上します) のいずれかを使用してクロックできます。外部発振器のみ、オンチップ位相ロック ループ(PLL)クロック乗算器を介して実行できます。乗算器は、1 倍、2 倍、4 倍、8 倍、または 16 倍に設定できます。

オンボード発振器周波数 (使用している場合) と PLL 乗算器の値は、どちらも実行時に変更できます。正しく使用すれば、電力効率が向上します。たとえば、タイミングのために必要な長い無操作待機の前に PLL 乗算器を減らし、その後増やすと、プロセッサの消費電力が減ります。ただし、この手法の有用性は、他のコグがタイミング依存コードを実行していない (または変更に対応するように注意深く設計されていない) 状況に限定されます。これは、有効なクロック レートがすべてのコグに共通であるためです。

有効クロック レートは 32 kHz から 80 MHz までの範囲です (上記のように、動的制御に使用できる正確な値は、使用される構成によって異なります)。80 MHz で実行する場合、独自の解釈型Spinプログラミング言語は、各コアで 1 秒あたり約 80,000 命令トークンを実行し、80,000 の 8 倍で 1 秒あたり 640,000 の高レベル命令を実行します。ほとんどのマシン言語命令は実行に 4 クロック サイクルかかるため、コグあたり 2,000 万命令/秒(MIPS)、つまり 8 コグの Propeller では合計 160 MIPS になります。

クロック レートを必要な値まで下げる、不要なコグをオフにする (これにより電力消費がほとんどなくなる)、不要な I/O ピンまたは安全に高インピーダンス状態 (トライステート) にできる I/O ピンを入力として再構成することで、電力消費を削減できます。ピンは動的に再構成できますが、この場合も変更はすべてのコグに適用されるため、特定の設計では同期が重要になります。1 つのコアがピンを出力として使用しようとしているときに、別のコアがそれを入力として使用しようとしている状況に対しては、何らかの保護が利用できます。これについては、Parallax の技術リファレンス マニュアルで説明されています。

各コグは、専用のカウンタータイマー ハードウェアと、複合PALまたはNTSCディスプレイ (放送用変調を含む) やビデオ グラフィックス アレイ(VGA) モニターなどのビデオ出力ステージの設計を簡素化することを目的とした特別なタイミング信号ジェネレーターにアクセスできます。そのため、Parallax は、プロペラ、水晶発振器、およびいくつかの抵抗器で構成される最小限の部品を使用して、大まかなデジタル アナログ コンバーター(DAC) を形成するビデオ信号 (テキストとやや低解像度のグラフィック) を生成できるサンプル コードを提供しています。ビデオ タイミング ハードウェアの修正能力はクロック レートに制限されるため、発振器の周波数は重要です。複数のコグを並列に使用して、単一のビデオ信号を生成することができます。より一般的には、タイミング ハードウェアを使用して、さまざまなパルス幅変調(PWM) タイミング信号を実装できます。

Spin インタプリタとブートローダに加えて、内蔵 ROM は、特定のサウンド、ビデオ、または数学アプリケーションに役立つ可能性のあるデータを提供します。

• 一般的な文字生成アプリケーションに適したビットマップフォントが提供されます (ただしカスタマイズはできません)。
• 対数表（底 2、2048 項目）
• 逆対数表（底2、2048エントリ）
• 正弦テーブル (16 ビット、2049 個のエントリが第 1 象限、角度 0 から π/2 までを表します。他の 3 つの象限は同じテーブルから作成されます)。

数学拡張は、浮動小数点ユニットの不足や、乗算や除算などのより基本的な演算の不足を補うことを目的としています (これは Spin ではマスクされていますが、アセンブリ言語ルーチンの制限です)。ただし、Propeller は 32 ビット プロセッサであり、これらのテーブルは高精度の用途には精度が不十分な場合があります。

Spinは、 Parallax社のChip Gracey氏によって開発されたマルチタスクの 高水準 コンピュータプログラミング言語です。同氏は、 Spinが動作するPropellerマイクロコントローラもPropellerマイクロコントローラシリーズ用に設計しました。 ^[5]

Spin コードは、Windows XP 用に書かれた GUI 指向のソフトウェア開発プラットフォームである Propeller Tool 上に書かれています。^[6]このコンパイラは、Spin コードをバイトコードに変換します。バイトコードは (同じツールで) Propeller チップのメイン 32 KB RAM にロードでき、オプションでI²Cブートの電気的に消去可能なプログラム可能な読み取り専用メモリ( EEPROM ) にもロードできます。Propeller を起動すると、バイトコード インタープリタが内蔵 ROM からプライマリ COG の 2 KB RAM にコピーされます。この COG は、メイン 32 KB RAM 内のバイトコードの解釈を開始します。バイトコード インタープリタの複数のコピーを他の COG で実行できるため、複数の Spin コードスレッドを同時に実行できます。Spin コード プログラム内には、アセンブリ コード プログラムをインラインで挿入できます。これらのアセンブラ プログラムは、独自の COG で実行されます。

Pythonと同様に、Spin はブロックを区切るために中括弧やキーワードではなくインデント空白を使用します。

Propeller の独自のマルチスレッドSpin コンピュータ言語のインタープリタは、バイトコードインタープリタです。このインタープリタは、目的別の統合開発環境(IDE) 内で編集、コンパイルされ、Propeller にロードされたユーザー コードから、1バイトあたり 1 つの命令の文字列をデコードします。Parallax がPropeller ツールと名付けたこの IDE は、Microsoft Windowsオペレーティング システムで使用することを目的としています。

Spin 言語は、高水準プログラミング言語です。ソフトウェアで解釈されるため、純粋な Propeller アセンブリよりも実行速度は遅くなりますが、スペース効率は高くなります。Propeller アセンブリのオペコードは 32 ビット長です。Spin ディレクティブは 8 ビット長で、その後にディレクティブの動作を指定する 8 ビット バイトが続く場合があります。また、Spin を使用すると、アセンブリ コードで考慮する必要がある 重大なメモリ セグメンテーションの問題を回避することもできます。

起動時に、バイトコード インタープリタのコピー (サイズは 2 KB 未満) がコグの専用 RAM にコピーされ、メインの 32 KB RAM でバイトコードの解釈を開始します。その時点から追加のコグを起動し、インタープリタの別のコピーを新しいコグの専用 RAM にロードできます (したがって、合計 8 つのインタープリタ スレッドを同時に実行できます)。特に、これはすべての Propeller アプリケーションで、少なくとも最小限の起動コードがSpin コードである必要があることを意味します。

Spin の構文は、次の内容を保持するブロックに分割できます。

• VAR – グローバル変数
• CON – プログラム定数
• PUB – パブリックサブルーチンのコード
• PRI – プライベートサブルーチンのコード
• OBJ – オブジェクトのコード
• DAT – 定義済みデータ、メモリ予約、アセンブリコード

• 再起動:マイクロコントローラを再起動する
• waitcnt:システムカウンタが指定された値以上になるまで待機します
• waitvid: (ビデオ) データを I/O ピンに出力する前に (ビデオ) タイミング イベントを待機します。
• coginit:新しいタスクでプロセッサを起動する

3,000,000 サイクルごとに現在のシステム カウンターを出力し、40,000,000 サイクル後に別のコグによってシャットダウンされる サンプル プログラム ( Propeller Toolエディターに表示されるもの) を次に示します。

Parallax Propeller は、Parallax の古いBASIC Stamp製品と同様の機能を提供するソフトウェア ライブラリを徐々に蓄積していますが、現在 Spin に相当する機能を持つ PBASIC機能の一覧は統一されていません。

「Fortran と BASIC という 2 つの言語がバーで出会ったら、9 か月後には Spin が見つかる」と冗談めかして言われています。これは、FORTRAN の空白のフォーマットと BASIC のキーワードベースの操作を指しています。

チップの初期バージョン (P8X32A と呼ばれます) は、40 ピン 0.6インチ デュアル インライン パッケージ(DIP)、44 ピンLQFP、またはQuad Flat No-leads パッケージ(QFN)表面実装技術パッケージで 1 つの 32 ビット ポートを提供します。使用可能な 40 ピンのうち、32 ピンは I/O に、4 ピンは電源およびグランド ピンに、2 ピンは外部水晶 (使用する場合) に、1 ピンは停電および電圧低下検出を有効にするために、1 ピンはリセットに使用されます。

8 つのコアはすべて、32 ビット ポート (「A」と指定。現在「B」はありません) に同時にアクセスできます。1 つのコアが I/O ピンを出力として使用しようとし、別のコアがそれを入力として使用しようとした場合、I/O の競合を回避するために特別な制御メカニズムが使用されます。これらのピンはいずれも、上記のタイミングまたはパルス幅変調出力手法に使用できます。

Parallaxは、Propellerの今後のバージョンでは、より多くのI/Oピンやメモリが搭載されることを期待していると述べています。^[7]

Propeller の設計者は、「仮想 I/O デバイス」という概念に基づいて設計しました。たとえば、HYDRA ゲーム開発キット(レトロスタイルのビデオ ゲームの開発方法を学ぶ愛好家向けに設計されたコンピュータ システム) は、内蔵の文字ジェネレータとビデオ サポート ロジックを使用して、VGA カラー画像、PAL/NTSC 互換のカラー画像、またはソフトウェアで放送 RF ビデオ+オーディオを出力する仮想グラフィック ス処理ユニットジェネレータを生成します。 ^[8]

ここで表示されているスクリーンキャプチャは、ピクセルデータをシリアルリンク経由でPCに送信するソフトウェア仮想ディスプレイドライバを使用して作成されました。 ^[9]

ソフトウェアライブラリは、単純なUARTやSPI、I²C、PS/2互換のシリアルマウスやキーボードインターフェース、ロボットシステム用のモータードライバー、MIDIインターフェース、LCDコントローラーなどのシリアルI/Oインターフェースから、さまざまなI/Oデバイスを実装するために利用可能です。^[10]

Propeller の設計思想は、ハードリアルタイムマルチコア アーキテクチャにより、専用の割り込みハードウェアとアセンブリのサポートが不要になるというものです。従来の CPU アーキテクチャでは、外部割り込みラインはオンチップ割り込みコントローラに送られ、1 つ以上の割り込みサービス ルーチンによって処理されます。割り込みが発生すると、割り込みコントローラは通常の CPU 処理を一時停止し、内部状態 (通常はスタック上) を保存してから、指定された割り込みサービス ルーチンにベクトル化します。割り込みを処理した後、サービス ルーチンは割り込みからの戻り命令を実行し、内部状態を復元して CPU 処理を再開します。

Propeller で外部信号を迅速に処理するために、32 本の I/O ラインのいずれかを入力として構成します。次に、各コグに用意されている 2 つのカウンタ回路のいずれかを使用して、その入力の遷移 (正または負のエッジ) を待機するようにコグを構成します。信号を待機している間、コグは低電力モードで動作し、基本的にスリープ状態になります。この手法を拡張すると、Propeller は 8 つの独立した割り込みラインに応答するように設定でき、処理遅延は基本的にゼロになります。あるいは、1 つのラインを使用して割り込みを信号で知らせ、その後、追加の入力ラインを読み取ってイベントの性質を判断することもできます。他のコアで実行されているコードは、割り込み処理コグの影響を受けません。従来のマルチタスク シングル プロセッサ割り込みアーキテクチャとは異なり、信号応答のタイミングは予測可能です。^{[11]実際、このコンテキストで}割り込みという用語を使用すると混乱が生じる可能性があります。これは、この機能はループ時間がゼロのポーリングと考えるのが適切だからです。

電源投入時、電圧低下検出時、ソフトウェア リセット時、または外部ハードウェア リセット時に、Propeller は内部 ROM からマシン コードブートルーチンを最初の (プライマリ) コグの RAM にロードして実行します。このコードはソフトウェアでI²Cインターフェイスをエミュレートし、必要なシリアル クロックとデータ信号に 2 つの I/O ピンを一時的に使用して、外部 I ² C EEPROMからユーザー コードをロードします。

同時に、シリアル ポートをエミュレートし、他の 2 つの I/O ピンを使用してソフトウェアを直接 RAM (およびオプションで外部 EEPROM) にアップロードします。Propeller がシリアル ポートからコマンドを受信しない場合、ユーザー プログラム (エントリ コードは前述のように Spin で記述する必要があります) をシリアル EEPROM からメインの 32 KB RAM にロードします。その後、組み込み ROM から Spin インタープリターを最初のコグの専用 RAM にロードし、ブートローダーの大部分を上書きします。

ユーザー プログラムがどのようにロードされるかに関係なく、実行は、プライマリ コグで実行される Spin インタープリターを使用して初期ユーザーバイトコードを解釈することから始まります。この初期 Spin コードが実行された後、アプリケーションは未使用のコグをオンにして新しいスレッドを開始したり、アセンブリ言語ルーチンを開始したりできます。

プロペラは外部シリアルEEPROMから起動します。起動シーケンスが完了すると、このデバイスは外部周辺機器としてアクセスできるようになります。^[12]

Spin と Propeller の低レベルアセンブラ以外にも、数多くの言語が移植されています。

Parallaxは、プログラミング言語CおよびC++用のGNUコンパイラコレクション（GCC）コンパイラのPropeller ^[13] （ブランチrelease_1_0）への移植であるPropeller-GCCをサポートしています。CコンパイラとCライブラリはANSI Cに準拠しています。C++コンパイラはANSI-C99に準拠しています。外部メモリで完全なC++がサポートされています。SimpleIDEプログラム^[14]は、 makefilesを必要とせずにプログラムを書くための簡単な方法をユーザーに提供します。2013年に、ParallaxはPropeller-GCCとSimple LibrariesをPropeller-C Learnシリーズのチュートリアルに組み込みました。^[15] Propeller-GCCは積極的に保守されています。Propeller-GCCとSimpleIDEは、Parallaxが公式にサポートするソフトウェア製品です。

ImageCraft ICCV7 for Propeller Cコンパイラはサポート終了となりました。^[16]

Catalinaという名の無料のANSI Cコンパイラが利用可能です。^{[17]これは}LCCに基づいています。Catalinaは積極的にメンテナンスされています。

PropBASICは、Parallax Propellerマイクロコントローラ用のBASICプログラミング言語です。 ^[18] PropBASICには、 Parallax Propellerで開発するためのクロスプラットフォームツールセットであるBrad's Spin Tool（BST）が必要です。2015年8月現在、BSTはi386-linux-gtk2、PowerPC-darwin（Mac OS X 10.4から10.6）、i386-darwin（Mac OS X 10.4から10.6）、i386-Win32（Windows 95からWindows 7）で動作します。

Propeller では、 商用ソフトウェアとオープンソース ソフトウェアの両方を含め、少なくとも 6 つの異なるバージョンのForthが利用できます。

広範囲にわたる開発とコミュニティのサポートを受けている無料バージョンはPropForthです。^[19]これはPropアーキテクチャに合わせて調整されており、Forthの概念と一致して、アーキテクチャの独自性に関する一般的な標準から必然的に逸脱しています。

Forth インタープリタ以外にも、PropForth はチップの能力を活用する多くの機能を提供します。リンク I/O は、ストリームをプロセスに関連付ける方法を指し、アプリケーションに対して透過的に、1 つのプロセスを次のプロセスにオンザフライでリンクできるようにします。これにより、多くの場合、ハードウェア デバッグやJTAGインターフェイスの必要性が軽減または排除されます。マルチ チャネル同期シリアル(MCS) は、プロップ チップ間の同期シリアル通信を指します。96 ビットのパケットが 2 つのコグ間で継続的に送信されるため、アプリケーションは追加のリソース (プロップ チップが追加されるごとに +6 コグ) を認識しますが、適切に構築されたアプリケーションのスループットにはほとんど影響しません。

LogicAnalyzer は、ソフトウェア ロジック アナライザーを実装する拡張パッケージを指します。EEPROMfilesystem と SDfilesystem は、EEPROM と SD フラッシュを使用して基本的なストレージを実装する拡張機能です。

PagedAssembler は、アセンブラ ルーチンをオンザフライでスワップイン (および上書きによるスワップアウト) できるようにし、実質的に無制限のアプリケーション サイズを可能にする最適化パッケージを指します。スクリプト実行により、拡張機能をオンザフライでロードできるため、プログラム ソースをストレージ メディアのサイズまで拡張できます。

Propeller上でJava仮想マシン（JVM）を実行する取り組みが進行中です。コンパイラ、デバッガ、エミュレータが開発されています。^[20]

Pascalの大部分は、 pコードマシンP4システムに基づくコンパイラとインタプリタによって実装されている。^[21]

PICoプログラマブルロジックコントローラ（PLC、PICoPLC）は、Propellerプロセッサへの出力をサポートしています。プログラムはGUIラダーロジックエディタで作成され、結果のコードはSpinソースとして出力されます。PICoPLCは、作成-シミュレーション-実行機能を備えたP8X32もサポートしています。発振器周波数とIOピンはラダーエディタで自由に構成できるため、ターゲットハードウェアに制限はありません。PICoPLC開発者ウェブサイト（[1]）。

2014年現在^{[アップデート]}、Parallaxは、現在のPropellerの各コグが約20 MIPSで動作するのに対し、約200 MIPSで動作するコグを搭載した新しいPropeller ^[22]を開発しています。パフォーマンスの向上は、最大クロック速度が200 MHz（80 MHzから）に増加し、命令をパイプライン化するアーキテクチャにより、クロックサイクルごとに平均1つの命令が実行される（約10倍の増加）ことで実現されます。^[7]

ウィキメディア・コモンズには、 Parallax Propellerに関連するメディアがあります。

• Parallax Inc.公式サイト:
• プロペラに関する詳細な情報が記載されたWiki
• Parallax Inc の Propeller フォーラム:
• Propeller GCC ベータ サイト
• EiEDオンラインの記事
• EiEDオンラインの2番目の記事
• ferret.com.au の記事
• Propellerで動作するプログラミング言語のリスト
• APStech から PICoPLC をダウンロード^{[永久リンク切れ‍ ]}
• FirstSpin は、Parallax がスポンサーとなっている、Spin プログラミング言語と Propeller に関する毎週の教育オーディオ プログラムです。