【実践解説】RP2040のPLL設定コードをC/C++で書いてみよう

CPU Arm 組込

～マイコンの心臓“クロック”を手動でチューニングする～

RP2040は、Raspberry Pi財団が開発したデュアルコアCortex-M0+搭載のマイコンです。通常はPico SDKなどが自動で初期化してくれる「PLL（フェーズ・ロックド・ループ）」ですが、自分でクロック設定を制御したいという場面も出てきます。

本記事では、PLLの初期化コード（C/C++）とその解説を通して、RP2040のクロック制御の仕組みを深掘りしていきます！

🧠 そもそもPLLとは？

PLL（Phase-Locked Loop）とは、低速なクロック信号（例：12MHz水晶）を基にして、高速で安定したクロック（例：133MHz）を生成する回路です。

RP2040には2つのPLLがあります：

  • PLL_SYS：CPUやバスに供給（最大133MHz）

  • PLL_USB：USB用の48MHz専用クロックを生成

🧪 PLL設定の前提条件

PLLを自前で設定するためには、次のような環境が前提です：

  • RP2040向けPico SDK（C/C++）

  • pico-sdk/src/rp2_common/hardware_clocks/ にあるヘッダーが使用可能

  • hardware/clocks.h などのAPI利用

🧾 PLL設定のサンプルコード

ここでは、PLL_SYSを使って133MHzのクロックを生成する例を紹介します。

c
 
#include "pico/stdlib.h"
#include "hardware/clocks.h"
#include "hardware/pll.h"
#include "hardware/xosc.h"
 
int main() {
  // 外部水晶（XOSC）を12MHzで初期化
  xosc_init();
 
 // PLL_SYS初期化（VCO = 1500MHz, POSTDIV1 = 6, POSTDIV2 = 2）
 // 出力 = 1500 / 6 / 2 = 125MHz（ここでは125MHz例）
 pll_init(pll_sys, 1, 1500 * MHZ, 6, 2);
 
  // CLK_SYSにPLL_SYSを接続
  clock_configure(clk_sys,
   CLOCKS_CLK_SYS_CTRL_SRC_VALUE_CLKSRC_CLK_SYS_AUX,
   CLOCKS_CLK_SYS_CTRL_AUXSRC_VALUE_CLKSRC_PLL_SYS,
   125 * MHZ,
   125 * MHZ);
 
  // UART用のクロックも設定（例：115200bpsに合わせる）
  stdio_init_all();
 
  while (true) {
   printf("Hello, PLL world!\n");
   sleep_ms(1000);
  }
  return 0;
}

🔍 解説：各ステップの意味

1. xosc_init();

外部水晶発振子（XOSC）を12MHzで初期化します。PLLの基準クロックとなる大事な部分です。

2. pll_init(...)

pll_init(pll_sys, refdiv, vco_freq, post_div1, post_div2);

ここでは以下の式で出力周波数が決まります：

 
PLL出力 = VCO周波数 / post_div1 / post_div2

たとえば：

  • refdiv = 1（12MHz ÷ 1 = 12MHz入力）

  • vco_freq = 1500MHz

  • post_div1 = 6

  • post_div2 = 2

結果的に：1500 / 6 / 2 = 125MHzのシステムクロックになります。

3. clock_configure(...)

PLL出力を clk_sys に供給する設定。CPUクロックを含めた全体システムがこれに従います。

💡 実用Tips

  • 最大値は133MHzだが、無理に引き上げると動作不安定になる場合も。

  • 低消費電力化が目的なら、PLL出力を減らしてCPUクロックを下げるのもアリ。

  • USBを使うならPLL_USB（固定48MHz）も別途設定が必要。

🧭 まとめ

項目 説明
xosc_init() 外部12MHzクロック起動
pll_init() PLL出力クロック生成
clock_configure() PLL出力をCPUなどに割り当て

Pico SDKのおかげで、PLLの設定はたった数行のコードで簡潔に記述可能です。自分でクロック設定をすることで、パフォーマンスと省電力の最適化が可能になります！

📎 おまけ：最大クロックに設定するには？

c
pll_init(pll_sys, 1, 1596 * MHZ, 6, 2); // ≒133MHz
clock_configure(clk_sys, ..., 133 * MHZ, 133 * MHZ);

公式の仕様上、133MHzが最大値とされていますが、個体差によって160MHz以上で動作することもあります（ただし自己責任で！）