GPIO

不了解这些就无法使用单片机!学习使用“外设功能”: 1 of 6

本连载共分6期,将介绍有效使用单片机外设功能的结构及使用方法。通过本连载的学习,我们将能学到各种单片机共通的基本外设功能,并可广泛应用到各个方面。

单片机仅靠CPU和内存是无法运行的!
有效使用单片机不可或缺的“外设功能”是什么呢?

正如过去连载的“单片机入门”系列中所介绍的那样,对电子产品进行控制的单片机是由CPU、内存及外设功能等部分组成的(图1)。CPU根据指令(程序),执行运算、数据的读写以及进行条件判断等,而内存则用来保存该程序(记忆)。

外设功能是指为了使单片机便于使用的各种功能。例如,CPU为了与外部的传感器及开关等进行信号交换,就需要“输入/输出端口(I/O端口)”这种外设功能。

而且,将模拟输入信号转换为数字值的“A/D转换器”以及反过来将数字值转换为模拟输出信号的“D/A转换器”则是单片机对各种信号进行处理时不可或缺的外设功能。

另外,还有为了正确测量时间所用的“定时器”以及提供日期和时计的“实时时钟(RTC)”,用于进行与时间相关的处理,此外还有将并行信号(parallel signal)和串行信号(serial signal)进行互相交换的“UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter,通用异步收发器)”等,以便进行通信。

本连载中,将以瑞萨电子单片机--RX63N为例,介绍令单片机更便于使用的外设功能的基础知识。我们将使用搭载了“RX63N”程序的电子板“GR-SAKURA”进行说明,请你也实际操作试试看吧!

图1:单片机内部结构示意图

图1:单片机内部结构示意图

了解数字信号的输入/输出端口---“GPIO”

在“输入/输出端口(I/O端口)”中,数字信号的输入/输出端口即“GPIO(General Purpose Input/Output)”也被称为“通用I/O端口”,是一种用于数字信号输入/输出的非常方便的端口。用于将数字输出的传感器值和开关的ON/OFF值传送到单片机的输入端及通过LED来显示单片机的运算结果,以及输出用于驱动电机运行的信号等等。

GPIO被称为通用端口是其引脚既可以用于输入也可以用于输出。在早期的单片机中,引脚都被固定用于输入或输出,但是现在很多单片机中都可以自由地将其设定为输入或输出端口。假设GPIO端子有8个引脚,则可以将4个引脚用于输入,另4个引脚用于输出,也可以将1个引脚用于输入,剩下的7个引脚用于输出。

在GPIO中,为了使CPU和外部设备之间进行数据交换,要相互执行通过程序处理的数字值(0或1)与信号(电压的LOW电平或HIGH电平)的转换。下面是作为RX63N单片机的GPIO端口基础的寄存器(※1)的作用(图2)。


(※1)寄存器(Register):存在于单片机的CPU和外设功能内部中的记忆回路。用于运算和保持CPU的执行状态。由于是作为CPU及外设功能的内部回路,所以在对内存进行写入和读取时速度很快,但容量却非常小,既有可以用于各种用途的寄存器(通用寄存器),又有用于某些限定的功能和用途的特殊寄存器。

图2:GPIO的基本结构示意图

图2:GPIO的基本结构示意图

  • 端口方向寄存器(PDR)

    决定引脚方向的寄存器,也称为“方向寄存器”。

  • 端口输入数据寄存器(PIDR)

    输入时反映所使用的引脚状态的寄存器。从引脚输入LOW电平或者HIGH电平时会将之转换为0或1的值并读取该转换结果。随着引脚的变化数值也将发生变化。所以不会保持读取时的值。

  • 端口输出数据寄存器(PODR)

    此寄存器保存用作输出引脚的输出数据。将0或1的值转换为LOW电平或HIGH电平信号并从引脚输出。由于可以与内存一样保持改写前的值,所以在改写前来自引脚的输出电压也将保持不变。

通过GR-SAKURA来体验活用了GPIO的程序!

本期我们将通过“按下开关时LED会发光”这个程序来学习GPIO的运行。我们将利用GR-SAKURA专用的程序库进行编程。(樱花程序库的“数字I/O”)(仅英文版)

在樱花程序库(SAKURA Library)的“数字I/O”中,电路板上的I/O专用引脚究竟是用作输入还是用作输出最初由pinMode(引脚号、模式)函数来指定。一旦指定后,只要引脚的用法没发生变化就无需执行pinMode函数。

用作输入时,通过digitalRead函数来指定引脚号,结果将被作为HIGH电平或LOW电平信号被返送回。用作输出时通过digitalWrite函数来指定引脚号。值还是HIGH电平或LOW电平,HIGH电平相当于1,LOW电平相当于0,所以也可将之记述为0或1。

由于这次使用的是GR-SAKURA电路板上的开关和LED,所以即使不知道与其相连的引脚号和端口号,如为开关,只需在程序中写入“PIN_SW”,如为LED,只需在程序中写入“PIN_LED0”〜“PIN_LED3”,樱花程序库(SAKURA Library)就会进行处理。

硬件规格 (仅英文版)

电路图 (仅英文版)

图3所示的是使用GPIO时,通过LED的闪烁来反映开关的值的程序例。首先通过pinMode函数来指定与开关相连的引脚作为输入引脚,将与LED连接的引脚作为输出引脚(1)。只需在开始时定义一次就够了,之后将在setup函数中进行处理。

接下来,“只要按下开关LED就点亮,不按开关LED就熄灭”的部分在loop函数中进行处理。开关是否被按下要根据digitalRead(PIN_SW)返回的值来判断。所以GR-SAKURA的开关在什么都不做(松开)的状态下为HIGH电平(通过上拉电阻连接电源),被按下时为LOW电平(连接GND)。

如果digitalRead(PIN_SW)返回的值为LOW电平时=开关被按下(2)、LED将被点亮。D1的LED为digitalWrite(PIN_LED0, HIGH)时将被点亮(3)。

如果判断为开关没被按下时,当是digitalWrite(PIN_LED0, LOW)时(4),GPIO的输出为LOW电平,LED熄灭。

请试着使用GR-SAKURA的Web编译器来执行图4所示的程序。Web编译器的使用方法请参考嵌入系统入门系列的“第一次挑战制作!电子制作入门”的第2期和第4期。

第一次挑战制作!电子制作入门(2)

第一次挑战制作!电子制作入门(4)

 

/*GR-SAKURA Sketch Template Version: V1.08*/
#include <rxduino.h>

#define	CHATTERING 50

void setup()
{
	pinMode(PIN_SW,INPUT);              ...........(1)
	pinMode(PIN_LED0,OUTPUT);           

}

void loop()
{

	if(digitalRead( PIN_SW) == LOW)      ...........(2)
	{
		digitalWrite(PIN_LED0, HIGH);...........(3)
		delay(CHATTERING);           ...........(5)
	}else
	{
		digitalWrite(PIN_LED0, LOW); ...........(4)
	}
}

 

图3:程序例

程序的提示 通过"振荡"来防止误操作

开关是用来接通(开关有时显示为"关")和切断(开关有时显示为"开")电路的,即开和关。在开关等装置机械地进行开和关的操作时,任何一种状态都不可能在一瞬间完成。装置会发生非常快速的振动,并非常精细地在开和关之间反复动作后才会转变为新的状态。这种现象被称为"振荡"。为了让大家更容易理解"振荡"的现象,我们制作了一个简单易懂的体验程序(图4)。请大家也试着体验一下吧。

/*GR-SAKURA Sketch Template Version: V1.08*/
#include <rxduino.h>

void setup( )
{
	pinMode(PIN_SW, INPUT);
	pinMode(PIN_LED0,OUTPUT);
}

void loop( )
{

	if(digitalRead(PIN_SW) == LOW )
		{
			digitalWrite(PIN_LED0 , digitalRead(PIN_LED0) == 0 ? 1: 0);
			while(digitalRead(PIN_SW) == 0);
		}
}

图4:振荡体验程序

试着通过控制开关反复点亮、熄灭LED来执行所期望的动作,怎么样?是不是有时如你所愿,有时又适得其反?产生这种现象的原因就是因为振荡。如果将振动过程中的状态作为开关的信号读取出来,将得不到正确的结果。因此,需用防振荡程序来解决。

在图3的程序中,检测到开关最初被按下后先停止50微妙(0.05秒)后再进行处理(图3中的⑤)。如果不停止,在检测到开关被按下时虽然LED也会亮灯,但接下来确认开关的状态时,由于振荡的原因,有可能会认为是"开关处于松开的状态"(因为输入暂时还没返回到HIGH)而导致LED熄灭。因此,如上所述,我们通过在开关的状态稳定之前停止处理(50微妙)的方式来解决这个问题。

本期我们一起学习了GPIO的结构和使用方法。如果将程序中的PIN_LED0的部分换成别的LED号(仅在选0〜3时有效),将可以变换闪烁的LED。另外,如果改写判断部分的程序,也可以进行诸如"按两次则LED亮灯,接下来再按1次时熄灭"等复杂的处理。这次的体验程序只使用了GR-SAKURA上的输入/输出设备,但也可将带有数字输出功能的外部传感器连接到GR-SAKURA的I/O端子上,也可以连接LED以外的设备(如电子蜂鸣器)。

下期我们将介绍进行与时间相关的处理的外设功能"定时器"。敬请期待!

不了解这些就无法使用单片机!学习使用“外设功能”

  1. GPIO
  2. 定时器
  3. 串行通信
  4. 中断功能
  5. 程序设计(上)
  6. 程序设计(下)