Порты и регистры: мигаем светодиодом

Три регистра порта

Каждый вывод Pxn управляется тремя битами в трёх регистрах (раздел 14.2.1 даташита), где x — буква порта, n — номер бита:

После сброса регистры DDRx и PORTx равны нулю (у PINx начального значения нет — он отражает уровни на выводах), и выводы находятся в третьем состоянии — это входы без подтяжки (разделы 14.2.1 и 14.4). Поэтому любой вывод перед использованием как выход надо явно настроить.

Маски битов

Чтобы изменить один бит и не тронуть остальные, используют побитовые операции и маску _BV(n) = 1 << n:

PORTB |= _BV(PORTB5);    /* set bit 5: PB5 high */
PORTB &= ~_BV(PORTB5);   /* clear bit 5: PB5 low */
PORTB ^= _BV(PORTB5);    /* invert bit 5 */
if (PINB & _BV(PINB5)) { /* bit 5 of the pin register is 1 */ }

У ATmega328P есть и аппаратный способ переключить вывод: запись единицы в бит регистра PINx инвертирует соответствующий бит PORTx (раздел 14.2.2). Строка PINB = _BV(PINB5); меняет только PB5 и делает это одной записью, без чтения порта. Подробнее о масках, сдвигах и приоритетах операций — в статье «Битовые операции в C».

Мигаем светодиодом

#define F_CPU 16000000UL  /* must be defined before util/delay.h */
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main(void)
{
    DDRB |= _BV(DDB5);            /* PB5 (Arduino pin 13) is an output */

    for (;;) {
        PINB = _BV(PINB5);        /* writing 1 to PINB5 toggles PORTB5 */
        _delay_ms(500);
    }
}

Если частота уже задана ключом -DF_CPU=16000000UL в команде сборки, строку #define можно убрать. Функция _delay_ms из avr-libc — это пустой цикл на нужное число тактов. Она работает правильно, только если включена оптимизация (-Os), а время задержки — константа, известная при компиляции. Почему частота так важна, разберём в уроке 4.

Внешний светодиод и ток вывода

Подключим второй светодиод к выводу 7 платы (PD7) через резистор 330 Ом к земле. При прямом падении на красном светодиоде около 2 В ток составит примерно (5 − 2) / 330 ≈ 9 мА — расчёт наш, без учёта падения внутри выходного каскада. Резистор под другой светодиод и питание посчитает калькулятор резистора для светодиода.

Предельные значения из даташита ATmega328P:

Абсолютный максимум — это не рабочий режим, а граница повреждения. Нормальная нагрузка на вывод — единицы миллиампер; для реле или двигателя нужен транзисторный ключ.

Задание

1. Какое число надо записать в DDRB одной операцией DDRB |= …, чтобы сделать выходами PB0, PB1 и PB5 (выводы 8, 9 и 13 Uno)? Ответ дайте в шестнадцатеричном виде.
2. Перепишите цикл мигания так, чтобы светодиоды на PB5 и PD7 горели по очереди.

DDRB |= _BV(DDB5);
DDRD |= _BV(DDD7);
PORTB |= _BV(PORTB5);         /* start: PB5 on, PD7 off */

for (;;) {
    PINB = _BV(PINB5);        /* toggle both LEDs, */
    PIND = _BV(PIND7);        /* they stay in opposite states */
    _delay_ms(500);
}

Что дальше

В уроке 3 настроим вывод входом, включим подтяжку и прочитаем кнопку. Все регистры портов ATmega328P с адресами и битами — на странице регистров GPIO ATmega328P. Сколько тактов на самом деле занимает _delay_ms при разных частотах, покажет калькулятор задержек AVR. Что такое вывод общего назначения, коротко объясняет термин GPIO, а предельные токи входа и выхода — термин «Втекающий и вытекающий ток».