Day7 — GPIO 功能

GPIO 全文为 General purpose input/output，在微控制器当中通常具有控制引脚输出或输入的功能，可以透过程序控制某一脚位的输出为高电位或低电位。

一个最简单的例子可以用 LED 灯来举例，假设今天想要实作 LED 闪烁功能，我们可以将 LED 的一个接脚接地之後，另一接脚接到 GPIO 脚位，并透过程序控制输出的电位高低，这样就可以做到闪烁效果。

既然一个引脚可以用於输入、输出或其他特殊功能，那麽在程序实作上，要怎麽去控制脚位的输出呢？在微控制器当中可以透过修改暂存器的数值来做到。

如下图所示，微控制器内部的特殊暂存器会存在特定记忆体位址当中（在 datasheet 可以找到），只要修改对应记忆体位址中的资料，就可以修改暂存器的值。

不过在程序上不需要写死记忆体位址，编译器以及 assembler 都会事先定义好变数让开发者使用。

GPIO Port

事先定义好的一组脚位称做 PORT。在 attiny85 当中有一个 PORT（PORTB），总共 6 个脚位。

如图所示，当中的 PB0 ~ PB5 就是 PORTB 接脚的意思，括号後的名称则是除了 GPIO 接脚之外，根据程序的设定也可以当作其他用途。

输入、输出

每个 GPIO 都具有输出与输入功能。

• 输出：由控制器输出高电位或低电位（0 或 1）
• 输入：由外部设备输入高电位或低电位至控制器

为了要控制脚位为输入或输出，以及个别脚位应该如何控制，需要知道两个暂存器分别为 PORTB、DDRB。

DDRB（Data Direction Register B）

控制接脚的功能为输入还是输出。0 为输入 1 为输出。输入指得是由外部设备输入高电位或低电位至控制器；而输出指得是由控制器输出高电位或低电位（0 或 1）。

PORTB

有 8bit，但 attiny85 只有 6 个脚位，因此最上面的两个 bit 不会使用到。PORTB 可用来控制脚位输出高低。

一个简单的 GPIO 程序如下：

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void)
{
  DDRB = (1 << DDB0);     // set PORTB0 as output and port1 ~ 7 as ouput. DDR means data direction register
  PORTB = (1 << PORTB0);  // set PORTB0 to 1 (HIGH)
  unsigned char i = PINB; // read pin from PINB register
  return 0;
}

程序当中我们将 DDB0（第 1 个 bit）设定为 1 代表输出，PORTB0 设定为 1（代表输出高电位），其效果约略等同於 arduino 当中的：

void setup() {
  pinMode(PIN, OUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(PIN, HIGH);
}

接下来在加上 delay 以及无穷回圈即可完成 LED 闪烁效果：

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void)
{
  while (1) {
    DDRB = (1 << DDB0);     // set PORTB0 as output and port1 ~ 7 as ouput. DDR means data direction register
    PORTB = (1 << PORTB0);  // set PORTB0 to 1 (HIGH)
    unsigned char i = PINB; // read pin from PINB register

    _delay(500);
	  PORTB = ~(1 << PORTB0);
	  _delay(500);
  }
  return 0;
}

1 << DDB0 是什麽意思

为了方便程序码阅读，当我们要赋值给暂存器某个 bit 时，通常不会这样写：

DDRB = 1;

原因很简单，读程序码的人不知道这行程序码的意图为和，为了知道 1 代表的意思，开发者可能还要自行寻找答案。因此在撰写时会使用 << 运算符来实作。

<< 为左移运算符，例如 1 << 2，代表将 1 左移两位变为 0x100，用 10 进位表示为 4。假设我们使用 DDRB3（值为 3），代表 DDRB 暂存器当中的第 4 个 bit，所以 DDRB = 1 << DDRB3 的意思为：将 1 放到 DDRB3 的位置（左移 3 格）。

资源

有关於更多 GPIO 的介绍，可以参考 ATtiny85 的 datasheet。