3.8. Работа с портами ввода-вывода

Порты ввода-вывода предназначены для обеспечения обмена данными между микроконтроллером и внешними устройствами. В микроконтроллерах AVR порты имеют буквенные имена, начиная с буквы «А», например «PORTА». Хотя для различных моделей микроконтроллеров AVR количество портов ввода-вывода будет отличаться, но процедура программирования будет одинаковой. Порты ввода-вывода могут иметь альтернативные функции (например, PORTA может использоваться как входы аналого-цифрового преобразователя).

Все порты ввода-вывода являются восьмиразрядными, но каждая линия порта может использоваться самостоятельно. Все линии ввода-вывода могут находиться в следующих состояниях:

– Z-состояние, линия имеет высокое входное сопротивление;

– режим ввода;

– режим вывода;

– альтернативная функция порта.

Управление портами ввода-вывода осуществляется через специальные регистры. Ниже представлено назначение этих регистров («x» – означает имя регистра):

PORTx (DATA REGISTER) – регистр данных;

DDRx (DATA DIRECTION REGISTER) – регистр управления;

PINx (INPUT PINS ADDRESS) – физические линии данных.

Например:

PORTA – регистр данных порта А;

DDRA – регистр управления порта А;

PINA – физические линии данных порта А.

По сигналу системного сброса все порты ввода-вывода устанавливаются в Z-состояние (состояние высокого импеданса). Перед выполнением операций порты должны быть сконфигурированы на ввод или вывод. Таким образом, работа с портами осуществляется следующим образом: настройка режима линий порта (ввод или вывод), вывод или ввод через линии порта. При использовании библиотеки описания имен можно вместо адресов использовать имена регистров порта.

Настройка портов ввода-вывода:

Настройка портов заключается в конфигурировании линии порта на ввод или вывод. При конфигурировании портов следует пользоваться табл. 2.

Таблица 2. Конфигурация портов ввода-вывода

DDxn	PORTxn	I/O	Pull-up	Комментарии
0	0	Input	Нет	Z-состояние
0	1	Input	Да	Ввод
1	0	Output	Нет	Вывод лог. 0
1	1	Output	Нет	Вывод лог. 1

В табл. 2 буквой «x» обозначено имя порта, а буквой «n» – номер линии порта. Весь порт может быть сконфигурирован одинаково, или некоторые линии порта настроены на ввод, а некоторые на вывод.

Приведем примеры настройки портов ввода-вывода. Предположим, выполнено следующее распределение линий портов:

PORTA – весь порт конфигурируется на ввод (вход);

PORTB – весь порт конфигурируется на вывод (выход);

PORTC – четыре младшие линии (PC0 – PC3) конфигурируются на ввод (вход), четыре старшие (PC4 – PC7) конфигурируются на вывод (выход);

PORTD – каждая линия порта конфигурируется самостоятельно;

PD0 – ввод (вход);

PD1 – вывод (выход);

PD2 – ввод (вход);

PD3 – ввод (вход);

PD4 – вывод (выход);

PD5 – вывод (выход);

PD6 – ввод (вход);

PD7 – ввод (вход).

В соответствии с программной моделью микроконтроллеров семейства AVR загрузка данных в регистры портов ввода-вывода осуществляется из регистров общего назначения (РОН). Таким образом, при загрузке констант в регистры портов следует сначала загрузить их в регистры общего назначения. Константы будем формировать в соответствии с таблицей. В качестве регистра общего назначения во всех примерах будем использовать регистр R16.

Настройка PORTA на ввод (вход):

Сформируем константы для регистров DDRA (DATA DIRECTION REGISTER – регистр управления) и PORTA (DATA REGISTER – регистр данных).

DDRA = 0000 0000₂

PORTA = 1111 1111₂

Преобразуем в шестнадцатеричный код:

DDRA = 00H

PORTA = FFH

По сигналу системного сброса при включении питания во все разряды регистров управления портами DDRx уже записываются все нули и нам этого делать уже не нужно.

Пример программы: «Настройка PORTA на ввод (вход)»:

ldi r16, $FF ; загрузка константы FFH в регистр R16

out PORTA, r16 ; загрузка содержимого R16 в регистр данных порта А

Настройка PORTB на вывод (выход):

Сформируем константы для регистров DDRB (DATA DIRECTION REGISTER – регистр управления) и PORTB (DATA REGISTER – регистр данных).

DDRB = 1111 1111₂

Преобразуем в шестнадцатеричный код:

DDRB = FFH

Пример программы: «Настройка PORTB на вывод (выход)»:

ldi r16, $FF ; загрузка константы FFH в регистр R16

out DDRB, r16 ; загрузка содержимого R16 в регистр управления порта B

Настройка PORTC:

Четыре младшие линии (PC0 – PC3) конфигурируются на ввод, четыре старшие (PC4 – PC7) конфигурируются на вывод.

Сформируем константы для регистров DDRC (DATA DIRECTION REGISTER – регистр управления) и PORTC (DATA REGISTER – регистр данных).

DDRC = 0000 1111₂

PORTC = 1111 0000₂

Примечание. В нашем примере на линиях (PC4 – PC7) будут выводиться логические нули.

Преобразуем в шестнадцатеричный код:

DDRC = 0FH

PORTC = F0H

Пример программы: «Настройка PORTC»:

Четыре младшие линии (PC0 – PC3) конфигурируются на ввод (вход), четыре старшие (PC4 – PC7) конфигурируются на вывод (выход):

ldi r16, $0F ; загрузка константы 0FH в регистр R16

out DDRC, r16 ; загрузка содержимого R16 в регистр управления порта С

ldi R16, $F0 ; загрузка константы F0H в регистр R16

out PORTC, r16 ; загрузка содержимого R16 в регистр данных порта С

Настройка PORTD:

Каждая линия порта конфигурируется самостоятельно:

PD0 – ввод (вход);

PD1 – вывод (выход);

PD2 – ввод (вход);

PD3 – ввод (вход);

PD4 – вывод (выход);

PD5 – вывод (выход);

PD6 – ввод (вход);

PD7 – ввод (вход).

Сформируем константы для регистров DDRD (DATA DIRECTION REGISTER – регистр управления) и PORTD (DATA REGISTER – регистр данных).

DDRD = 0111 0010₂

PORTD = 1000 1101₂

Примечание. В нашем примере на линиях PD1, PD4, PD5 будут выводиться логические нули.

Преобразуем в шестнадцатеричный код:

DDRD = 72H

PORTD = 8DH

Пример программы: «Настройка PORTD»:

Каждая лини порта конфигурируется самостоятельно:

ldi r16, $72 ; загрузка константы 72H в регистр R16

out DDRD, r16 ; загрузка содержимого R16 в регистр управления порта D

ldi r16, $8D ; загрузка константы 8DH в регистр R16

out PORTD, r16 ; загрузка содержимого R16 в регистр данных порта D

Ввод информации в порт:

Если весь порт настроен на ввод (вход), то операция очень простая. В нашем примере на ввод (вход) настроен PORTA.

Пример ввода через PORTA. Весь порт настроен на ввод (вход):

in r16, PINA ; ввод информации из порта А и сохранение ее в R16

Вывод информации в порт:

В зависимости от того, настроен весь порт на вывод или нет, возможны разные варианты вывода информации через порт.

Самый простой вариант работы с портом, который полностью настроен на вывод. В нашем примере полностью настроен на вывод PORTB. В соответствии с программной моделью операция вывода в порт осуществляется через регистры.

Пример программы: «Вывод через PORTB»:

out PORTB, r16 ; загрузка содержимого R16 в регистр данных порта B

nop ; холостая команда для задержки времени

Примечание. При операциях вывода информация отправляется в регистр данных порта PORTx, но это внутренний регистр. Внешние выводы контроллера связаны с регистром PINx. Информация из регистра данных порта PORTx поступает в регистр PINx с отставанием на один машинный такт (т. е. на одну команду). Для удобства контроля программы при отладке в предыдущем примере введена холостая команда NOP.

Более сложный случай с PORTC. В нем четыре младшие линии (PC0 – PC3) конфигурируются на ввод, четыре старшие (PC4 – PC7) конфигурируются на вывод. В этом случае мы должны выводить информацию только через старшие четыре разряда PORTC и не мешать младшим.

Напомним, что раз линии (PC0 – PC3) конфигурируются на ввод, то содержимое разрядов PORTC0 – PORTC3 должно быть равно логическим единицам. Следовательно, необходимо применять операцию маскирования.

Сформулируем требования к программе. Пусть исходная информация находится в регистре R20. Требуется произвести вывод информации, не меняя содержимого разрядов PORTC0 – PORTC3. В разрядах PORTC0 – PORTC3 должны находиться логические единицы.

Пример программы: «Вывод информации через PORTС»:

Линии (PC0 – PC3) конфигурируются на ввод (вход), линии (PC4 – PC7) конфигурируются на вывод (вывод).

mov r21, r20 ; копируем исходную информацию

ori r21, $0F ; логическое сложение копии информации с маской 0000 1111₂

out PORTC, r21 ; вывод содержимого R21 в регистр данных PORTC

nop ; холостая команда для задержки времени