LED2個を使ってクロックとは何かを理解する ～ ASCIIコードでHelloと言わせてみた

最近データ通信におけるクロックの役割について記事を読んで、「ああ、そういうことか」と理解したので、自分でもクロックを使ったデータ表現をやってみた。
一般的にクロックというと時計をイメージすると思うが、どちらかといえばメトロノームとか手拍子をイメージすると分かりやすい。

たとえば人間にとって「あーー」と「あーーー」と「あーーーーー」はどれも意味的には「あー」である。
私は何回「あ」と言ったでしょう？って聞かれても他人には答えられない。
「あーあーあー」といったのか「あああああ」と言ったのか、それは本人がイメージするリズム次第で変わってしまう。

さて、このことがコンピューターでは大いに問題になってくる。
なんせ電気信号のONとOFFでしか情報を表現できないので、オンオンオンオンオフオフオフオフと言ったのか、オーーーンオーーーフと言ったのかでは全然データの意味が違ってくる。

そこで使われるのが一定周期でON/OFFを繰り返すクロック。
クロックが1回「オン/オフ」する間を1ビットと解釈することで、正確にデータを読み解くことができる。

　見た目：オーーーーンオフオーーンオーーフ
クロック：オンオフオンオフオンオフオンオフ
　データ：オンオンオンオフオンオンオフオフ

実際にArduinoを使って、ASCIIコードでHelloと表示してみたのがこちら。

緑LEDがクロックで、赤LEDがデータである。

クロックに合わせて赤LEDを読み取ってメモすれば、一応人間でもデータを読み取ることができる。

(参考)ASCIIコード
www.ascii-code.com

コードは次のとおり。

const int CLOCK = 3;
const int DATA = 4;

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(CLOCK, OUTPUT);
  pinMode(DATA, OUTPUT);
}

void say(char x) {
  for(int i=7;i>=0;i--){
    digitalWrite(DATA,x >> i & 1);
    digitalWrite(CLOCK,HIGH);
    delay(200);
    digitalWrite(CLOCK,LOW);
    delay(200);
  }
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  digitalWrite(CLOCK,LOW);
  digitalWrite(DATA,LOW);
  delay(5000);
  const char message[] = "Hello";
  for(int i =0; i < strlen(message); i++ ) {
    digitalWrite(CLOCK,LOW);
    digitalWrite(DATA,LOW);
    delay(1000);
    say(message[i]);
  }
}

メインループではmessageという文字型配列にセットしたHelloをfor文で一文字ずつ取り出してsay関数にパスしている。
say関数ではShift演算とANDマスクを使って1文字=8ビットから1ビットずつ取り出したものをデータLEDの出力としている。

シフトというのはずらすという意味で、たとえば01001000(文字H)を1ビット右シフトすると00100100となる。
左側の欠落した部分は0で埋められ、はみ出た部分は捨てられる。

これに00000001(数字の1の8ビット表現)をAND演算すると、各桁でAND演算が実施されるので右端以外は必然的に0、右端の1ビットは元データが1なら1、0なら0となる。こうやって右端のビットだけを取り出すことができる。

Arduinoでは1はHIGH(≒5V)、0がLOW(≒0V)となる為、データに応じてLEDが明滅する。

今回はsay関数のdelayを200としたけれど、分かりやすく500にすると、クロックのONが0.5秒、クロックのOFFが0.5秒、計1秒の間にデータを1ビット表現できる。1秒間に1クロックなので、1ヘルツである。

最近のCPUのクロック数は大体4ギガヘルツ前後なので、1秒間に4,000,000,000回ほどON/OFFを繰り返すことができるということかな。すげーなおい。

以上