Pico WのPIOの出力機能を3つのLEDの点灯・消灯で確認しよう。

Raspberry Pi Pico W（以下　PicoW）にはメインプロセッサとは独立して動作する、Programmable Input/Output（以下　PIO）と呼ばれる2機のプロセッサがあります。

それぞれのPIOにはステートマシンと呼ばれる、4個の独立して動作する処理ユニットがあり、PIO用のアセンブラ（以下　PIOASM）を使ってGPIOを制御できます。

センサー等の電子部品をPicoWに複数接続して処理する場合、一部の電子部品の制御に処理時間を取られ、別の電子部品の処理に支障をきたす場合があります。

たとえば、LEDとスイッチをPicoWに接続し、LEDの制御に時間を取られた場合、スイッチからの入力を検知できないことが考えられます。

PIOでスイッチ等の一部の電子部品を制御することで、この問題を解決することができます。

このようにPIOはI/Oに特化したプロセッサと言えます。

詳細はRP2040 Datasheet: A microcontroller by Raspberry Piを参照してください。

この記事では、GPIOピン（以下　GPピン）に赤、緑、青の3つのLEDを接続し、PIOを使って赤と緑のLEDを500ms間隔で交互に点灯、消灯させながら、メインの処理で青のLEDを1000ms間隔で点灯、消灯させるプログラムをC/C++で作成します。

実験準備

実験に必要な機器と部品を準備します。

機器

「Windows PCとC/C++でRaspberry Pi Pico Wの開発を始めよう。」記事で書きましたラズパイPicoWと、Visual Studio Code（以下　VSCode）をインストールしたWindows PCを準備します。

: Windows PCとC/C++でRaspberry Pi Pico Wの開発を始めよう。
「Raspberry Pi Pico WH（以下 PicoW）」は、基本ソフト（OS）をインストールして使う「Raspberry Pi 5」のようなコンピュータではありませんが、Raspberry P ...

使う部品

LED（発光ダイオード）、固定抵抗など実験に使う部品を準備します。

部品名	規格	数量	取扱い店（参考）
LED	5mm 赤色	1	電子工作ステーション
LED	5mm 緑色	1	電子工作ステーション
LED	5mm 青色	1	電子工作ステーション
カーボン抵抗	1/4W　330Ω	3	電子工作ステーション
ブレッドボード	830穴（訳アリ品を除く）	1	電子工作ステーション
ジャンパーワイヤ	オス－メス(約20cm)	1	電子工作ステーション

配線

GPIOピン（以下　GPピン）に接続された2つのLEDを、PIOを使って交互に点灯、消灯させるプログラムをC/C++で作成します。

配線リスト

ラズパイPicoWのGPピンと抵抗を通して、LEDを接続します。

ラズパイPicoW	部品	部品
GP26	カーボン抵抗 R1	LED1 アノード（足の長い方）
GP27	カーボン抵抗 R2	LED2 アノード（足の長い方）
GP16	カーボン抵抗 R3	LED3 アノード（足の長い方）
GND	LED1 カソード（足の短い方）	ー
GND	LED2 カソード（足の短い方）	ー
GND	LED3 カソード（足の短い方）	ー

配線図

ライセンス

プロジェクトのビルドに必要なソースファイル、ソースコードをビルドするための設定ファイル等は、3条項BSDライセンスのもとで配布します。

3条項BSDライセンスの概要（意訳）は次のとおりです。

サンプルファイルのソースコードまたはバイナリ形式の再配布時には、著作権表示とライセンス条文を記載（SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clauseなど）してください。
サンプルファイルはコピー／配布／変更／変更後の配布／商用利用／有料販売など、自由に使うことができます。
書面による許可なしに、サンプルファイルから派生した製品の宣伝や販促に、本ライセンス記載の組織や貢献者（ラズパイ実験室）の名前を使うことはできません。
サンプルファイルにはなんの保証もついていません。
サンプルファイルを利用し、なにか問題が発生した場合でも、作者（ラズパイ実験室）は一切の責任を負いませんので、使用に伴うリスクを理解し、自己責任で利用してください。

プロジェクト

GPIOに接続した2つのLEDを交互に点灯・消灯させるプロジェクト（pio_led_toggle）をVSCodeのC/C++を使って作成します。

pio_led_toggleプロジェクトは、コンパイルに必要な、ソースファイル（pio_led_toggle.c）、ソースコードをビルドするための設定ファイル（CMakeLists.txt）、PicoのSDKインポート用のファイル（pico_sdk_import.cmake）で構成されています。

ソースコードをVSCodeにコピーしてビルドします。

プロジェクト・フォーマットの作成

プロジェクト作成のためのフォーマットを作成します。

VSCodeを起動し、「Rasoberry Pi Pico Project」アイコンをクリックし、「New　C/C++ Project」をクリックします。

Raspberry Pi Pico ダイアログが表示されますので、「Basic Setting」を選択します。

以下のように設定します。

項目	説明
Name	pio_led_toggl
Board type	Pico W
Location	任意（全角文字、半角カタカナが含まれていないこと。） ※自身のユーザ内に任意のファルダを作成します。
Select Pico SDK version	v2.1.1
Features	PIO interface ：✔
Stdio support	Console over UART ：✔

設定終了後、「Create」をクリックします。

保存するフォルダ内のファイル作成者の信頼についての、ダイアログが表示される場合がありますので、「はい、作成者を信頼します」をクリックします。

プロジェクトが読み込まれます。（数分～数十分かかることがあります。）

「自動補完システム」が準備完了になるまで待ち、準備完了マーク（｛｝）が表示された後、「エクスプローラー」を選択します。

「build」を開き、「build.ninja」が存在していることを確認します。

2つのソースコード、「pio_led_toggle.c」と、「blink.pio」が作成されています、

pio_led_toggle.cを選択すると、ソースコードがエディタエリアに表示されます。

blink.pioを選択すると、ソースコードがエディタエリアに表示されます。

プロジェクトの作成

作成したプロジェクト・フォーマットに、ソースコードを入力またはコピーして、プロジェクトを作成します。

▶️pio_led_toggle.cの作成

「エクスプローラー」アイコンをクリックして、「pio_led_toggle.c」を表示します
現在、VSCodeに表示されている内容をすべて削除します
下記「pio_led_toggle.c」のソースコードを入力またはコピー／貼り付けし保存します

【pio_led_toggle.c】

//
// Copyright (c) 2025 ラズパイ実験室
//
// SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
//

//********************************
//
//PIO機能でLEDを交互に点灯・消灯
//
//********************************

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/pio.h"
#include "mypio1.pio.h"

//LED接続　GPIOピン基準番号
#define OUT_PIN_BASE 26

//LED接続　GPIOピン数
#define NUM_OUT_PIN 2

//クロック分周値（125000000Hz / 62500 = 2000Hz）
#define CLOCK_DIV 62500

//点滅間隔（ms）
#define BLINK_INTERVAL 500

//メイン処理GPIOピン
#define LED_PIN 16


int main()
{
    stdio_init_all();

    //メイン処理LEDピン　初期化
    gpio_init(LED_PIN);

    //メイン処理LEDピンを出力ピンに設定
    gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT);    

    //使用するPIO番号を指定
    PIO pio = pio0;
    
    //使用するステートマシン番号を指定
    uint state_machine_id = 0;

    //指定したPIOの命令モリにプログラムをロードする
    uint offset = pio_add_program(pio, &mypio1_program);
    
    //PIOプログラムの呼び出しと起動
    mypio1_program_init(pio, state_machine_id, offset, OUT_PIN_BASE, NUM_OUT_PIN, CLOCK_DIV);

    //TX FIFOに点滅間隔（ms）を設定
    //PIOのカウンタ・プログラムは、設定した点滅間隔よりも合計で3サイクル多くかかるので-3する
    pio->txf[state_machine_id] = BLINK_INTERVAL - 3;
   
    
    //メイン処理
    while (true) {
        //LED点灯
        gpio_put(LED_PIN, 1);
        sleep_ms(1000);
        //LED消灯
        gpio_put(LED_PIN, 0);
        sleep_ms(1000);
    }
}

▶️ mypio1.pioの作成

「エクスプローラー」に表示されている「blink.pio」の名前を、右クリックして「mypio1.pio」に変更します
現在、VSCodeに表示されている「mypio1.pio」の内容をすべて削除します
下記「mypio1.pio」のソースコードを入力またはコピー／貼り付けし保存します

【mypio1.pio】

;
; Copyright (c) 2025 ラズパイ実験室
; 
; SPDX-License-Identifier: BSD-3-Clause
;

.program mypio1

    //TX FIFOから32bitのデータ（点滅間隔（ms））をOSR(OUTシフトレジスタ)に移動
    pull block

    //OSRから32ビット、スクラッチレジスタyへデータを移動
    out y, 32

//.wrap_target?.wrap間の処理を繰り返し実行
.wrap_target

  //スクラッチレジスタyをスクラッチレジスタxにコピー    
    mov x, y        ; 1サイクル遅延

    //指定したGPIOピン26をHigh、27をLowに設定
    set pins, 0b01     ; 1サイクル遅延


lp1:
    //Xレジスタが0でなければXレジスタの内容を減算し、lp1にジャンプする。（0ならば次の処理へ）
    jmp x-- lp1     ; x+1サイクル遅延

    //スクラッチレジスタyをスクラッチレジスタxにコピー    
    mov x, y        ; 1サイクル遅延

    //指定したGPIOピン26をLow、27をHighに設定
    set pins, 0b10     ; 1サイクル遅延

lp2:
    jmp x-- lp2     ; x+1サイクル遅延

.wrap               ; 点滅を繰り返す


% c-sdk {

//GPIO出力を設定して、SMが指定されたピンに出力するように設定
 static inline void mypio1_program_init(PIO pio, uint sm, uint offset, uint ouT_pin, uint out_pin_num, float clkdiv){
   
    //指定したPIOステートマシンの初期設定情報をメモリに格納する
    pio_sm_config config = mypio1_program_get_default_config(offset);

    
    //ステートマシンのクロック分周値を設定する。125000000Hz / clkdiv(62500) = 2000Hz
    sm_config_set_clkdiv(&config, clkdiv);


    //LEDピン（GPIO26、GPIO27GPIO27）設定
    {
        int     i;

        for (i = 0; i < out_pin_num; i++){

                //GPIOをPIOに割り当てる
                pio_gpio_init(pio, ouT_pin + i);

                //指定したPIOで使用するステートマシンのGPIOピンの方向を出力に設定する
                pio_sm_set_consecutive_pindirs(pio, sm, ouT_pin + i, 1, true);

        }

        //ステートマシンの「set」ピンを設定する
        sm_config_set_set_pins(&config, ouT_pin, out_pin_num);

    }


    //指定したPIOで使用するステートマシンにメモリに格納された初期設定情報を適用する
    pio_sm_init(pio, sm, offset, &config);


    //指定したPIOで使用するステートマシンを起動する
    pio_sm_set_enabled(pio, sm, true);
 
}
%}

▶️ CMakeLists.txtの変更

「エクスプローラー」に表示されている「CMakeLists.txt」をクリックすると、エディタエリアに内容が表示されます。
「Generate PIO header」のフィル名を、「blink.pio」から「mypio1.pio」に変更し、保存します。

# Generate PIO header
pico_generate_pio_header(pio_led_toggle ${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR}/blink.pio)

pico_generate_pio_header(pio_led_toggle ${CMAKE_CURRENT_LIST_DIR}/mypio1.pio)