半導体設計民主化のための自作RISC-V SoC実践編

PicoRV32 と Wishbone で作る、フィジカルAI時代の実用オリジナルチップ

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第6章　外部接続 ― microSDカードと無線モジュール（ESP）

前章で、私たちのSoCは世界と言葉を交わす「神経」（UART・SPI・I2C）を得ました。本章では、その神経の先に二つの実用機能をつなぎます。記憶（microSDカード）と、ネットへの声（技適済み無線モジュール）です。フィジカルAIの身体に、覚える力と、外に呼びかける力を与える章だと思ってください。

そして本章には、うれしい特徴があります。新しく調達するIPはゼロだということです。microSDは「SPIで話せる記憶装置」、無線モジュールは「UARTで話せるネットの出口」――どちらも前章で現物確認を済ませた simple_spi と simpleuart の再利用で届きます。本章で新しく学ぶのは「IPの調達」ではなく、既存の部品をどう組み合わせ、どんなソフトで動かすかです。 

 ┌──────────── 我々のSoC（FPGA / Basys 3）＝「身体」────────────┐
 │  PicoRV32 ── Wishbone ──┬── spi_wb (simple_spi 再利用) ──SPI──→ microSD（記憶）
 │                        │                              CS=GPIO
 │                        └── uart_wb(simpleuart 再利用) ─UART─→ 技適済みESPモジュール
 └──────────────────────────────────────────────────────────┘                │
                                                            （2.4GHz）→ AP → Internet（声）
USBホストは積みません ― そして、今回それで困りません。 前章まで検討したUSBホストは本物の難所（オープンRTLはUSB1.1止まり・要自前ドライバ・外部PHY必須）でした。ですが私たちの用途では不要です。ストレージはmicroSD＝SPIで足り、無線は技適済みモジュール＝UARTで足りるからです。USB端子に任意の機器を挿す需要が無い以上、難所はクリティカルパスから外せます。誇張せず実用に着地させる、という本講座の流儀どおりの判断です（USB-C給電は「電源」であって通信ではないので、コネクタとCC抵抗の話＝第14章の基板側で扱います）。

6.1　この章の地図 ― 記憶と声を、既存の神経でつなぐ

設計判断の軸はシンプルです。「その機能に、いちばん簡単で確実な既存の道はどれか」。記憶については、USB大容量ストレージ（＝USBホストが要る）とmicroSD（＝SPIで足りる）を比べれば、後者が圧倒的に簡単で確実。声については、自前で無線を作る（＝物理と電波法の壁）とモジュール外付け（＝UARTで足りる）を比べれば、後者。どちらも「既に持っている神経の再利用」に落ちます。

6.2　microSDは、実はSPIである

理由から。microSDカードには「SPIモード」という簡易接続が用意されていて、私たちから見ればただのSPIデバイスになります。USB経由のストレージがUSBホストという難所を要求するのに対し、SDのSPIモードは第5章で作ったSPIマスタにそのまま乗ります。これが「簡単で確実」の中身です。

USBストレージなら

FPGA側にUSBホスト（USB1.1・要自前ドライバ・外部PHY）。難所そのもの。今回は採らない。

microSD（SPIモード）なら

SPIマスタ＋CS＋ソフト。SPIマスタは第5章で調達済み。新規RTLゼロ。3.3VでPmodと電圧も合う。

留保（現物確認）。 ほぼ全てのmicroSDがSPIモードに対応してきましたが、規格上は新しい大容量カードでSPIモードを省く余地があります。実際に使うカードでSPIモードが効くかは現物で確認します（断定回避。［改訂マーカー：使用カードの現物］）。

6.3　simple_spi の再利用＋CS（GPIO）でSDをつなぐ

具体です。必要なのは三つだけ。(1) SPIマスタ＝simple_spi（第5章の spi_wb ラッパごと再利用）、(2) チップセレクト＝第3章のGPIOの1ビット（simple_spi はSS線を持たないため、これは第5章で確認済みの定石）、(3) 物理結線＝SD側の CLK / CMD / DAT0 を SPIの SCK / MOSI / MISO に対応づけ、Pmod経由で3.3V接続。 

 SoC側（再利用）            microSD（SPIモード）
 ─────────────────────────────────────────────
 spi_wb.sck_o   ─────────→  CLK
 spi_wb.mosi_o  ─────────→  CMD  (DI)
 spi_wb.miso_i  ←─────────  DAT0 (DO)
 gpio_out[0]    ──(CS)───→  DAT3 (CS)   ※CSはGPIOで叩く
 3.3V / GND     ─────────→  VDD / VSS   ※Pmod経由
骨格（教材用・設計は専用ビルド工程でsim検証済） 
// soc_top.v ― 第6章で増える外部接続の“組み合わせ図”（骨格・未検証）
// 新規IPはゼロ。第5章で裏取り済みの spi_wb / uart_wb を再利用して足すだけ
module soc_top ( /* clk, rst, 各ピン … 省略 */ );

    // （既存）CPU(picorv32_wb)・RAM・GPIO・タイマ・PWM・spimemio … 第2〜4章

    // --- microSD：simple_spi(spi_wb) の再利用。CS は GPIO の1ビットで駆動 ---
    spi_wb sd_spi (
        .wb_clk_i (clk),  .wb_rst_i (rst),
        .wb_adr_i (adr),  .wb_dat_i (wdat), .wb_dat_o (sd_rdat),
        .wb_we_i  (we),   .wb_stb_i (sd_sel), .wb_cyc_i (cyc), .wb_ack_o (sd_ack),
        .sck_o (sd_sck),  .mosi_o (sd_mosi), .miso_i (sd_miso)
    );
    assign sd_cs_n = gpio_out[0];     // CS は GPIO（第3章）で駆動

    // --- 無線モジュール：simpleuart(uart_wb) の再利用。TX/RX はクロス結線 ---
    uart_wb esp_uart (
        .wb_clk_i (clk),  .wb_rst_i (rst),
        .wb_adr_i (adr),  .wb_dat_i (wdat), .wb_dat_o (esp_rdat),
        .wb_we_i  (we),   .wb_sel_i (sel), .wb_stb_i (esp_sel),
        .wb_cyc_i (cyc),  .wb_ack_o (esp_ack),
        .ser_tx (esp_tx), .ser_rx (esp_rx)   // SoC.TX → ESP.RX / ESP.TX → SoC.RX
    );

endmodule
つまずきどころ。 SDの初期化は低速SPI（数百kHz）で始め、初期化が済んでからクロックを上げるのが作法です。最初から高速にすると初期化に失敗します。CSのアクティブ極性（多くはLowで選択）と、初期化前に数十クロックの空送りでカードを起こす手順も、実機で確認します（［改訂マーカー：SD初期化クロック・手順］）。

6.4　SDを動かすソフトの考え方（RISC-V側の仕事）

ここからはRTLでなくソフトの役割分担です。SDカードは「SPIでコマンドを送ると応答する」装置なので、PicoRV32上のソフトがコマンド列と、その上のファイルシステムを担います。考え方の地図だけ示します（具体のコマンド表・タイミングは使うカードで現物確認）。

  1. 初期化。 カードを起こし、SPIモードに入れ、種別（SDHC等）を判定する一連のコマンド（CMD0 でアイドル化 → CMD8 で電圧確認 → 初期化完了待ち → 必要に応じブロック長設定）。
  2. 読み書き。 1ブロック読み（CMD17）／書き（CMD24）を基本に、セクタ単位でやり取りする。
  3. ファイルシステム。 その上に FATファイルシステムを載せれば、PCと同じ感覚でファイルとして読み書きできる。組込みでは FatFs のような定番の実装を移植して使うのが普通（ライセンスは採用時に現物確認）。
誇張はしません。 上の具体的なコマンド番号・初期化手順・対応カードの差は、規格の版やカードで揺れます。本講座では「SDはSPIでコマンドを送る記憶。初期化→ブロック読み書き→FATの三層」という仕組みを示し、実装時に一次情報（SD規格の公開仕様・FatFsのドキュメント）で詰めます。

6.5　技適済み無線モジュールは、UARTである

声の側です。第5章5.7で「有線でネット越しAI（API）と連携」の考え方を置きました。それを実装に落とすのが、技適済みの無線モジュール（ESP系など、UARTで話せるもの）の外付けです。私たちのSoCが「このサーバにこれをPOSTして」とテキストで頼み、モジュールが無線とTCP/IPを代行する――旗印「ボード＝身体、頭脳＝ネット越し」そのものです。

技適はチップでなく「モジュール」に付く（重要・断定回避）。 無線ICの素チップ単体は、ふつう技適（技術基準適合証明）を持ちません。技適番号が付いているのは、それを載せたモジュール製品や完成ボードです。本講座が一貫して採る「無線は積まず、技適済みの既製モジュールを外付け＝有線機器として扱う」方針（方針[M]）と、これは完全に一致します。使用する現物のモジュールに技適番号があることを必ず確認し、本文では特定製品・番号を断定しません（技適の詳細は第7章で一次情報＝総務省・登録証明機関に当たります）。

6.6　simpleuart の再利用でモジュールをつなぐ

結線は単純で、SoCのTXをモジュールのRXへ、モジュールのTXをSoCのRXへ（クロス）、あとはGND共通と3.3V系の電圧確認だけです。SoC側は uart_wb（simpleuart）をもう一つインスタンス化するだけ――新規RTLはありません（上の soc_top.v 骨格を参照）。 

 SoC側（再利用）              無線モジュール             その先
 ───────────────────────────────────────────────────────────
 uart_wb.ser_tx ───────────→ RX
 uart_wb.ser_rx ←─────────── TX
 3.3V / GND     ───────────→ VDD / GND     （2.4GHz）→ AP → Internet

ソフトの考え方は、モジュールへテキストのコマンドを送り、応答を読むという対話です（いわゆるATコマンド方式が手軽）。「アクセスポイントに接続」「接続先を開く」「このデータを送る」を順に頼めば、Webhook（HTTP POST）やMQTT（pub/sub）に届きます。これは第5章5.7で示した上位プロトコルの考え方の、実体側の足です。

版差は断定しない。 モジュールのATコマンドの版・対応機能・初期ボーレートは製品と版で差があります。本講座は「UARTでテキスト命令を送ってネットに出る」という仕組みを示し、具体のコマンド表は使う現物のデータシート/ファーム版で確認します（自前ファームを焼く選択肢もある＝現物確認の論点。［改訂マーカー：モジュール現物・AT版］）。
設計ノート：なぜ「2つ目のUART」を足すだけで済むのか／なぜ1つ目を残すのか

第5章で simpleuart を Wishbone スレーブ（uart_wb）として一度仕上げました。無線モジュールをつなぐ本章で必要なのは、その uart_wb を「もう一つ」置くことだけです。中身は1ビットも変えません。番地（0x8）だけを変えて二度目の実体化をする――これがハードウェアにおける部品の再利用の最小かつ典型の姿です。ソフトで同じ関数を引数違いで二度呼ぶのと同じ感覚を、RTL でも持てる、ということです。

1つ目のUART（コンソール）を、なぜ残したままにするのか。 本章のデモは無線用の2つ目（0x8）しか使いません。ならば1つ目（0x6）を外して構成を小さくしてもよさそうですが、あえて残します。理由は二つ。第一に再利用の物語の一貫性――1つ目を残したまま2つ目を足すと、第5章のSoCと本章のSoCの違いが「UARTが一つ増えただけ」になり、図がそのまま「もう一本生やす」像と重なります。逆に1つ目を消すと「1つ目はどこへ消えた？」となり、再利用の物語が崩れます。第二に番地の一貫性――コンソールUART（0x6）は第5章からの住人で、番地表に空席を作らず据え置くのが混乱を生まない素直なやり方です。学ぶ人が設計図を素直に読めること、を部品点数の最小化より優先しました。

番地表は動かさない、という約束。 メモリマップは上位4ビットで住み分ける約束で M1 から一貫しています（0x0RAM／0x1LED／0x2GPIO／0x3TIMER／0x4PWM／0x5Flash／0x6UART／0x7SPI／0x8UART2）。新機能を足すときも既存番地は動かしません。動かせば本文・図・C言語の #define・テストベンチの照合値まで一斉にズレて学ぶ人を惑わせます。本章で無線を足すのも0x8 を1枠だけ増やす操作で、0x0〜0x7 は不変です。

6.7　旗印コラム ― いつかRF以外を自前で：Ethernet MAC内蔵という現実的な夢

「無線モジュールごと、自分のRISC-V SoCで作れないのか」――尖った夢です。正直に分解すると、ESP相当は三つの層からできています。どこまでが自前で届き、どこからが壁かを、誇張せず色分けします。

① MCU層（RISC-Vコア）

作れる・もう作っている。 ESPのCPUに当たる部分は、まさにPicoRV32でやっていること。ここは夢でなく現在地。

② プロトコル層（TCP/IP）

射程内。 軽量TCP/IPスタック（LwIP等）をRISC-V上で動かすのはあり得る。相応の外部RAMが前提（MicroPython移植と同じ条件）。

③ 無線層（RF/PHY）

ここが本当の壁。 2.4GHzのアナログRF・変調復調・PA・アンテナ整合はFPGAのデジタル論理では作れない。さらに電波を出す＝技適が正面に立つ。

夢を、できる形へ翻訳する。 「無線を作る」のではなく「ネットワーク機能を自作SoCに内蔵する」と読み替えれば、有線で正面突破できます。具体的には、外付けW5500にTCP/IPを丸投げする今の構成から一歩進めて、Ethernet MAC層を自前のWishbone IPとして内蔵し、外付けは安価なPHYチップだけにする。TCP/IPはRISC-V上のLwIP。これなら第3層が「作れないRFアナログ」ではなく「枯れたEthernetのPHY」になり、技適も無関係。「通信を自分で設計したSoC」という夢の核心は、有線でちゃんと叶います。本講座の本筋（第5〜6章）は確実に動く外付け構成で進め、この夢は旗印として序章・終章で正直に語ります（できる層／作れない層を明示して）。

6.8　【確認】この章の最小確認

再利用した二つの神経を、シミュ→FPGA実機の順で確認します。このうちシミュ（専用ビルド工程 M5）は完了しています（実測ログは下記）。FPGA実機は［改訂マーカー］として残します。

  1. microSD（FPGA）。 spi_wb＋GPIOのCSでカードを初期化し、1ブロック書いて読み戻し、一致を確認。さらにFAT経由で小さなファイルを1つ読み書き。
  2. 無線モジュール（FPGA）。 uart_wb経由でモジュールへコマンドを送り、応答を受け、アクセスポイントへ接続。
  3. 結合（FPGA）。 SDから読んだ1行を、モジュール経由でサーバへ POST（Webhook） する。記憶（SD）→声（無線）→ネットの一気通貫を達成。
「教材用ダミー」で確かめるのは“経路”だけ。 シミュレーションでは、microSDと無線モジュールの代わりに、ごく単純な教材用ダミーを相手にします。確かめたいのは結合の経路が通っているか――SoCからデータが出て、相手から1バイト返り、SoCが受け取れるか――だけだからです。microSDダミーは受け取った1バイトを反転して返す相手（0xA5→0x5Aで送受双方向を最小実証）、無線ダミーは1バイト受けると合図に 'O'（0x4F）を返す相手。本物のSD初期化（CMD0…）やATコマンド対話・技適は、規格やカード・モジュールの版で揺れるため、ここでは扱わず実機と一次情報で詰めます（断定回避）。ダミーは「配線と道筋が正しいこと」を保証し、本物固有の作法は実機に委ねる――この線引きが、誇張せず実用に着地させる本講座の流儀です。
専用ビルド工程：シミュ検証 実測ログ（M5） 
検査1 結合往復 gpio_out=0x5a4f -> OK   ← 上位0x5A=microSD応答 / 下位0x4F=無線応答('O')
検査2 signature LED=0x5a   -> OK
==== RESULT: PASS ====   (cycle=6026)

上位バイトが microSD からの応答（0xA5→0x5A の反転）、下位バイトが無線からの応答（'O'=0x4F）。二つを別々に照合し、両方そろって初めて PASS とすることで「たまたま一致」を避けています。記憶（microSD）と声（無線）の両方が、既存の神経の再利用だけで届いたことの確認です。Icarus Verilog による検証で、CPUは外部Flashから起動（XIP）し、SPIとUART2の往復が成立しています。

［改訂マーカー］　本章で実機実測して確定する値：使用カード・使用モジュールの現物（SPIモード可否・技適番号・AT版）、SD初期化のクロック・手順、配線とPmod割り当て、二周辺を足した後のFPGA利用率。上記のとおりシミュレーションでの完全な動くRTLとソフトの検証は専用ビルド工程で完了しており、残るは上記の実機・現物確定です。

これで身体は、覚える力（microSD）と外へ呼びかける力（無線モジュール）を得ました。第5〜6章で作った「神経」は、いずれも有線か、有線扱いの外付けで固めてあります。次章はその外付けを支える法の話――技適（電波法）の扱いを、断定を避け、一次情報へ誘導しながら正直に見ていきます。

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