MicroPythonは先述のように、REPLコンソール上でコードを実行し、MicroPythonインタープリタと対話してデバッグができます。一方、ネイティブコード開発は、CPUが実行できるマシンコードを作成するので、デバッグはMicroPythonほど簡単ではありません。

最近のマイコンは、マシンコードのデバッグを行う「オンチップデバッグ機構」を内蔵しています。専用のインターフェースを通じてオンチップデバッグ機構とホストPC（※プログラムを作成しているWindows機など）とが通信を行い、対話的にデバッグを行えます。

オンチップデバッグ機構とホストPCとのインターフェースとしては、「JTAG」という標準規格が存在しています。JTAGは、その名前のもとになっている業界団体「Joint Test Action Group」が策定し、IEEE標準に取り込まれたインターフェース規格です。

Raspberry Pi Picoシリーズでは、JTAGの代わりに「SWD（Serial Wire Debug）」と呼ばれる2線式のインターフェースを採用しています。SWDは、イギリスの半導体設計企業であるArmが提唱したインターフェースです。JTAGよりも少ない、わずか2本の信号線でオンチップデバッグ機構とデータのやり取りを行います。簡易版のJTAGと考えていいでしょう。

Picoシリーズでは、USBコネクターの反対側の端にある3ピン（図1）のうちの2ピンがSWDポートです。三角形のマークがシルク印刷されている端子から順に「SWDIO」「GND」「SWCLK」という割当になっています。I2Cと似ていて、SWDIOがデータライン、SWCLKがシリアルクロック信号です。

なお、ピンヘッダー実装済みの「Raspberry Pi Pico H」「Raspberry Pi Pico WH」では、SWDポートに1mmピッチのJST-SH型コネクターが取り付け済みとなっています。後述する純正のデバッグプローブ「Raspberry Pi Debug Probe」には、JST-SH型コネクターケーブルが付属しており、ケーブルで直結できます。

一方、ピンヘッダーなしの標準版Picoシリーズでは、SWDポートが2.54mmピッチのスルーホールになっています。一般的には図1のように標準サイズのピンヘッダーをはんだ付けして使うでしょう。

SWDを通じてデバッグ機構とやり取りするといっても、マイコンのプログラム作成を行うWindows機やLinux機には、SWDと直接的にやり取りできるようなインターフェースはありません^※。Windows機やLinux機でSWDを介した通信を行うために使うのが、デバッグプローブなどと呼ばれるUSB接続のインターフェースです。

Armは、同社が手掛けるコアIPを採用するマイコン向けにCMSIS（Common Microcontroller Software Interface Standard）と呼ばれるソフトウェアインターフェースの標準化を行っています。また、オンチップデバッグ機構としてCoreSightと呼ばれるCMSIS準拠の技術を提供しており、PicoシリーズもCoreSightを搭載しています。

したがって、CMSIS-DAP（DAPはDebug Access Portの略）と呼ばれるCMSISに準拠するファームウェアを組み込んだデバッグプローブを使って、ホストPC上のデバッガーがPicoシリーズに組み込まれているCoreSightとやり取りを行うというのが標準的なデバッグのスタイルです（図2）。

というわけなので、Picoのネイティブコードのデバッグを行うには、まずSWDを扱えるCMSIS-DAP仕様のデバッグプローブを用意しなければなりません。

^※Linuxが動作するRaspberry Piシリーズでは、GPIOにPicoシリーズのSWDを接続して、Raspberry Pi上で動作するデバッガ（OpenOCD）とデバッグ機構とのやり取りを行う仕組みがサポートされています。したがって、Raspberry Pi上でPicoのプログラム作成を行うのであれば、外付けのデバッグプローブは必要ありません。ただ、最新のRaspberry Pi 5ならともかく、Raspberry Pi 4やそれ以前のRaspberry Piは、VSCodeをはじめとする開発ツールが快適に動作するとは言い難く、利用には忍耐が必要になります。よって、Raspberry Pi 5以外のユーザーには、その方法でのPicoのプログラム作成は、積極的にはおすすめしません。

CMSIS-DAPに対応するデバッグプローブは色々と市販されていますが、Raspberry Pi財団では2種類のプローブを標準品として採用しています。

1つは、完成品として市販されている「Raspberry Pi Debug Probe」（図3）です。国内販売価格は2000円強で、Raspberry Pi Picoシリーズが販売されているショップで入手できます。

Raspberry Pi Debug Probeを購入すればケース付きの本体に加えて、USBケーブルやSWDポートに接続するケーブルなど一式が含まれているので手間なしですが、同製品の内部は初代Raspberry Pi Pico（以下、Pico 1）に搭載されているオリジナルマイコン「RP2040」を使った単なるマイコン製品です。Pico 1との違いは、フラッシュメモリにあらかじめデバッグプローブ用のファームウェアが書き込まれているだけと考えても良いでしょう^※。

Pico 1に書き込んで利用できるデバッグプローブ用ファームウェアも、オープンソースとして公開されており、Pico 1があればRaspberry Pi Debug Probeと同じ機能を持つデバッグプローブを自作できます。Pico 1を使って自作したデバッグプローブをPicoprobeといいます。

Pico 1の国内価格は800円前後ですから、ケーブルやケースを節約すれば、Raspberry Pi Debug Probeより安く作れるかもしれないことがPicoprobeのメリットの1つです。後述するPico 1互換ボードを使えば、さらに安価で自作できるでしょう。

もっとも、安く作れるといってもせいぜい数百円ですから、価格は大きなメリットとは言えません。自作したPicoprobeは、Raspberry Pi Debug Probeより自由度が高く、後述するようにPicoprobeからデバッグターゲットに電源を供給できます。さらにファームウェアを改造すれば、大量に余っているGPIOを他の用途に利用するといったことも不可能ではありません。安く、かつ自由度もあるので、Raspberry Pi Debug Probeを買うよりはPicoprobeを自作して利用することをおすすめします。

^※実際には使用されているフラッシュメモリチップなどが異なるので、Pico 1と全く同じハードウェアというわけではありません。

Picoprobeを自作するには、次の材料が必要です。

• Pico 1
• SWDなどに接続するケーブルやコネクター類
• ケース

順に見ていきましょう。

RP2040を使用したデバッグプローブ用のファームウェアは、Pico 1を使用したPicoprobe向けと、Raspberry Pi Debug Probe向けの2種類に対応しています。

Pico 2をデバッグプローブ化するファームウェアは、本稿執筆時点では開発されていないようです。デバッグプローブはRP2040で十分なので、RP2040の製造が終了しない限りは、Pico 2をデバッグプローブ化するファームウェアは当面、開発されないかもしれません。いずれにしても、Picoprobeを自作するなら専用のPico 1を1つ用意しておく必要があります。

より節約したいのであれば、中国の通販サイトで売られているPico 1の互換ボードを使うのも1つの方法です。RP2040を搭載した、Pico 1とピン互換のボードがAliexpress（中国）などの通販サイトで購入できます。価格は為替相場やセールの有無に左右されますが、本稿を執筆している時点で送料込み450円前後です。純正のPico 1を購入するよりは安価ですから、Picoprobe用に使い潰すのには最適です。

図4は、筆者が購入して利用している互換ボードですが、同じ製品が多数のショップで売られています。フラッシュメモリ容量がオリジナルの実に8倍の16MBになっているほか、USBコネクターがType-Cだったり、リセットボタンとUSRという2つのボタンがオンボードに載っていたりなどオリジナルとの若干の相違点があります。また、両サイドのピンアサインはオリジナルと同じである一方、デバッグポートのピンアサインが異なっていました。

基板の仕上げや部品の実装が少々荒っぽいものの、動作に問題はありません。この互換ボードでもPicoprobeのファームウェアが、正常に動作することを確認しました。Picoシリーズは回路図やファームウェアが公開されているオープンソースの製品ですから、互換ボードであっても動作に問題はないと期待して良いでしょう。

PicoprobeをデバッグターゲットのSWDポートに接続するケーブルや、Picoprobeが備えるシリアルモニター機能を使うためにシリアルポートに接続するケーブルが必要になります。

先述のようにPicoシリーズのSWDポートはピンヘッダーを立てて使うので、接続にはデュポンコネクターのメスが必要です。一方、シリアルモニターの接続はデバッグターゲットがブレッドボードなら、接続先はデュポンコネクターのオスになります。

自作派なら、デュポンコネクターなどの圧着を行う工具を揃えてケーブルを自前で作れるようにしておくと便利ですが、そこまでは必要ないという人も多いでしょう。一般的には、出来合いのデュポンケーブルをセットで買っておいて、それを切って使うのが簡単です。

デュポンケーブルのセットはパーツショップで入手できるほか、Amazonなどの通販サイトでデュポンケーブルを検索すれば100～200本程度のセット品が多数ヒットします^※。オス-オス、オス-メス、メス-メスの3通りのセットを買っておけば、不自由しません。

なお、Pico H／Pico WHに使用されているJST-SH型コネクターは、ケーブルの自作に特殊工具が必要で簡単ではありません。千石電商で3ピンのJST-SH型コネクター付きアセンブル済みケーブルが販売されているので、それを利用すると良いでしょう。

^※たとえば、https://www.amazon.co.jp/dp/B072KH53HRなど

ケースには定番中の定番であるFRISK（図5）を使います。コンビニやスーパーで手に入るうえ、カッターひとつで加工でき、Picoがぴったり入る大きさですからPicoprobeのケースには最適でしょう。Picoの固定には両面テープを使います。

Picoprobeに関しては、日本語版公式ドキュメント「Raspberry Pi Picoをセットアップしよう」^※ の付録A（P.66～）に記載されています。これを参考にして、デバッグターゲットに接続するケーブルをPicoにはんだ付けするだけなので、製作はごく簡単です。筆者は図6のようにコネクター付きのワイヤーをはんだ付けしました。

VSYSは、デバッグターゲットに電源を供給するために使います。デバッグターゲットのVSYSを接続することで、デバッグターゲット側の電源が不要になり便利です。

ただ、デバッグターゲット側が自前の電源を持つようなケースではVSYSラインは必要なくなります。そのような利用ケースだと未使用のVSYSがGNDと接触してショートするといった事故が起きる危険があります。

なので、筆者はケーブルの先のコネクターをオスにしてしまいましたが、メスのコネクターにして必要なときだけジャンパーワイヤーを使ってVSYSをデバッグターゲットに接続したほうがいいでしょう。

TXDとRXDはシリアルモニター用で、デバッグターゲットのUART0にクロス接続することでデバッグターゲットのシリアル出力をホストPCからモニターできます。ケーブルをはんだ付けしたPicoprobeを図7に掲載しておきます。

次に用意したFRISKケースに、USBポート部とケーブルを通す穴をカッターで開けてケース内部に両面テープで止めます（図8）。

ここまでの作業を終えたら、Picoprobeのファームウェアを書き込みましょう。GithubのReleasesページを開きます。最新のバージョン（執筆時はdebugprobe-v2.0.1）のAssets欄からdebugprobe_on_pico.uf2をダウンロードします。なお、「debugprobe.uf2」は、Raspberry Pi Debug Probe用のファームウェアで、Pico 1には使えません。ダウンロードすべきファイルを間違えないよう注意してください。

組み立てたPicoprobeのBOOTSELボタンを押しながら、USBケーブルでPCに接続します。USBストレージが開くので、先にダウンロードしたファイルdebugprobe_on_pico.uf2をUSBストレージにドラッグ＆ドロップしてコピーしてください。

コピーが終わるとPicoprobeが再起動します。Windows機ならばデバイスマネージャーを開いてみましょう。図9のようにユニバーサル シリアル バス デバイスの下に「CMSIS-DAP v2 Interface」が見えるはずです。

^※英語版の「Getting started with Raspberry Pi Pico-series」は、Pico 2を含むシリーズ向けに改定されていますが、日本語版は未改定バージョンの翻訳です。

では、自作したPicoprobeを利用してPicoシリーズのデバッグを行ってみましょう。題材はデバッグのサンプルなので、Lチカということにしておきます。必要な機材は、ホストPC、デバッグターゲット、Picoprobeの3つです。

ホストPCは何でも良いですが、本稿ではWindows機の例にしておきます。ホストPCには、VSCodeをインストールしておく必要があります。VSCodeは、いまや主流といっていいコードエディターですから、多くの読者がインストール済みでしょう。利用していないという方は、VSCodeの公式サイトからインストーラーをダウンロードしてインストールし、必要なセットアップ（日本語化など）を行っておいてください。

デバッグターゲットはPico 1またはPico 2です。本稿ではPico 2を利用しますが、Pico 1でも同じように利用できます。

VSCodeを起動して左ツールバー（アクティビティーバー）にある拡張機能アイコンをクリックします。検索欄に「Pico」と入力すると、Raspberry Pi財団公式のRaspberry Pi Pico Extension（以下、Pico拡張）がヒットします（図11）。「インストール」をクリックしてVSCodeにPico拡張を追加インストールしてください。

Pico拡張によって、Pico向けのソフトウェア開発がVSCode上で行えるようになります。Picoアイコンをクリックすると、図13のようなクイックアクセスメニューが左ペインに開きます。

VSCode側の開発準備が整ったので、Picoprobeを開発ターゲットに接続するとともに、PicoprobeをUSBケーブルでホストPCに接続します。Picoprobeと開発ターゲットの接続は図16のような形になります。

開発ターゲットの電源は、PicoprobeのVSYSから供給します。こうすることで開発ターゲット側の電源が不要になります。ちなみに、Raspberry Pi Debug Probeには電源ラインがないので、開発ターゲット側にも電源が必要になる面倒があります。

ただし、一般的なUSB 1.1/2.0デバイスは1デバイスあたり100mA以下の消費電流が望ましいとされていて、Picoprobeも接続時のネゴシエーションで消費電流100mAをUSBホストに通知しています。開発ターゲットの消費電流が大きいような利用例だと、Picoprobeと合わせた電流が100mAを超えてしまい、USBホストからの電流制限により正常に動作しなくなることが考えられます。

なので、開発ターゲットに多くのデバイスが接続されていたり、あるいはターゲットにWi-Fiを搭載するPico Wを使用したりするなど大きな消費電流が想定されるときは、Picoprobeからの電源供給はやめて、開発ターゲット側にも独立した電源を接続しましょう。また、開発ターゲットに独立した電源を接続するときには、必ずVSYS端子の接続を外してください。

Picoprobeと開発ターゲットの接続を確認したら、PicoprobeをUSBケーブルでホストPCに接続します。これでPicoprobeと開発ターゲットに電源が供給されます。

次にpico2blink.cの内容をLチカに書き換えましょう。次のようなCコードを例にします。なお、このコードはPico 2またはPico 1向けで、オンボードLEDがマイコンのGPIOに接続されていないPico Wでは動作しません。

#include <stdio.h>
#include "pico/stdlib.h"
#include "pico/binary_info.h"

int main()
{
    stdio_init_all();

    int flag = 0;
    const uint LED_PIN = PICO_DEFAULT_LED_PIN;

    gpio_init(LED_PIN);
    gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT);
    while(true) {
        gpio_put(LED_PIN, flag ^= 1);
        printf("flag = %d\n",flag);
        sleep_ms(500);
    }
    return 0;
}

Lチカは主題ではないのでコードの説明は省略しますが、flagという変数でLEDを点滅させ、flagをprintf()で標準出力に出力しています。

pico2blink.cを書き換えたら保存します。そして左ペインのファイルエクスプローラ内にある、CMakeLists.txt（CMakeの構成ファイル）上で右クリックしてください。メニューにCMakeの選択肢があります。念のために「すべてのプロジェクトをクリーンしてリビルド」を選択してLチカをビルドしましょう（図18）。

また、コード中でブレークさせたい行の行番号の左をクリックすると、ブレークポイントが設定され、その行に達するとブレークします（図 24）。ブレーク箇所の逆アセンブルを行ったり、変数をウォッチ式に追加してウォッチしたりといったことができるので、試してみてください。

以上のようにPicoprobeを用意してデバッグができる環境を整えておけば、ネイティブコードによる開発も、さほど困難なく行えるでしょう。

今回は取り上げませんが、CMSIS-DAPはArduino IDEも対応しており、Arduino IDEを使ったPicoの開発時にも利用できます。MicroPythonと合わせて開発環境の1つとしてPicoprobeを用意しておくときっと役に立つでしょう。