本連載共分6期，將介紹有效使用單片機外設功能的結構及使用方法。通過本連載的學習，我們將能學到各種單片機共通的基本外設功能，并可廣泛應用到各個方面。 單片機僅靠CPU和內存是無法運行的！ 有效使用單片機不可或缺的“外設功能”是什么呢？ 正如過去連載的“單片機入門”系列中所介紹的那樣，對電子產品進行控制的單片機是由CPU、內存及外設功能等部分組成的（圖1）。CPU根據指令（程序），執行運算、數據的讀寫以及進行條件判斷等，而內存則用來保存該程序（記憶）。 圖1：單片機內部結構示意圖 外設功能是指為了使單片機便于使用的各種功能。例如，CPU為了與外部的傳感器及開關等進行信號交換，就需要“輸入/輸出端口(I/O端口)”這種外設功能。 而且，將模擬輸入信號轉換為數字值的“A/D轉換器”以及反過來將數字值轉換為模擬輸出信號的“D/A轉換器”則是單片機對各種信號進行處理時不可或缺的外設功能。 另外，還有為了正確測量時間所用的“定時器”以及提供日期和時計的“實時時鐘（RTC）”，用于進行與時間相關的處理，此外還有將并行信號(parallel signal)和串行信號(serial signal)進行互相交換的“UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用異步收發器）”等，以便進行通信。 本連載中，將以瑞薩電子單片機--RX63N為例，介紹令單片機更便于使用的外設功能的基礎知識。我們將使用搭載了“RX63N”程序的電子板“GR-SAKURA”進行說明，請你也實際操作試試看吧！ 了解數字信號的輸入/輸出端口---“GPIO” 在“輸入/輸出端口(I/O端口)”中，數字信號的輸入/輸出端口即“GPIO（General Purpose Input/Output）”也被稱為“通用I/O端口”，是一種用于數字信號輸入/輸出的非常方便的端口。用于將數字輸出的傳感器值和開關的ON/OFF值傳送到單片機的輸入端及通過LED來顯示單片機的運算結果，以及輸出用于驅動電機運行的信號等等。 GPIO被稱為通用端口是其引腳既可以用于輸入也可以用于輸出。在早期的單片機中，引腳都被固定用于輸入或輸出，但是現在很多單片機中都可以自由地將其設定為輸入或輸出端口。假設GPIO端子有8個引腳，則可以將4個引腳用于輸入，另4個引腳用于輸出，也可以將1個引腳用于輸入，剩下的7個引腳用于輸出。 在GPIO中，為了使CPU和外部設備之間進行數據交換，要相互執行通過程序處理的數字值（0或1）與信號（電壓的LOW電平或HIGH電平）的轉換。下面是作為RX63N單片機的GPIO端口基礎的寄存器（※1）的作用（圖2）。 （※1）寄存器（Register）：存在于單片機的CPU和外設功能內部中的記憶回路。用于運算和保持CPU的執行狀態。由于是作為CPU及外設功能的內部回路，所以在對內存進行寫入和讀取時速度很快，但容量卻非常小，既有可以用于各種用途的寄存器（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。 圖2：GPIO的基本結構示意圖 ● 端口方向寄存器（PDR） 決定引腳方向的寄存器，也稱為“方向寄存器”。 ● 端口輸入數據寄存器（PIDR） 輸入時反映所使用的引腳狀態的寄存器。從引腳輸入LOW電平或者HIGH電平時會將之轉換為0或1的值并讀取該轉換結果。隨著引腳的變化數值也將發生變化。所以不會保持讀取時的值。 ● 端口輸出數據寄存器（PODR） 此寄存器保存用作輸出引腳的輸出數據。將0或1的值轉換為LOW電平或HIGH電平信號并從引腳輸出。由于可以與內存一樣保持改寫前的值，所以在改寫前來自引腳的輸出電壓也將保持不變。 通過GR-SAKURA來體驗活用了GPIO的程序! 本期我們將通過“按下開關時LED會發光”這個程序來學習GPIO的運行。我們將利用GR-SAKURA專用的程序庫進行編程。（櫻花程序庫的“數字I/O”）(僅英文版) 在櫻花程序庫（SAKURA Library）的“數字I/O”中，電路板上的I/O專用引腳究竟是用作輸入還是用作輸出最初由pinMode（引腳號、模式）函數來指定。一旦指定后，只要引腳的用法沒發生變化就無需執行pinMode函數。 用作輸入時，通過digitalRead函數來指定引腳號，結果將被作為HIGH電平或LOW電平信號被返送回。用作輸出時通過digitalWrite函數來指定引腳號。值還是HIGH電平或LOW電平，HIGH電平相當于1，LOW電平相當于0，所以也可將之記述為0或1。 由于這次使用的是GR-SAKURA電路板上的開關和LED，所以即使不知道與其相連的引腳號和端口號，如為開關，只需在程序中寫入“PIN_SW”，如為LED，只需在程序中寫入“PIN_LED0”?“PIN_LED3”，櫻花程序庫（SAKURA Library）就會進行處理。 (僅英文版) (僅英文版) 圖3所示的是使用GPIO時，通過LED的閃爍來反映開關的值的程序例。首先通過pinMode函數來指定與開關相連的引腳作為輸入引腳，將與LED連接的引腳作為輸出引腳（1）。只需在開始時定義一次就夠了，之后將在setup函數中進行處理。 接下來，“只要按下開關LED就點亮，不按開關LED就熄滅”的部分在loop函數中進行處理。開關是否被按下要根據digitalRead(PIN_SW)返回的值來判斷。所以GR-SAKURA的開關在什么都不做（松開）的狀態下為HIGH電平（通過上拉電阻連接電源），被按下時為LOW電平（連接GND）。 如果digitalRead(PIN_SW)返回的值為LOW電平時＝開關被按下（2）、LED將被點亮。D1的LED為digitalWrite(PIN_LED0, HIGH)時將被點亮（3）。 如果判斷為開關沒被按下時，當是digitalWrite(PIN_LED0, LOW)時（4），GPIO的輸出為LOW電平，LED熄滅。 請試著使用GR-SAKURA的Web編譯器來執行圖4所示的程序。 圖3：程序例 圖4：振蕩體驗程序 程序的提示 通過"振蕩"來防止誤操作 開關是用來接通（開關有時顯示為"關"）和切斷（開關有時顯示為"開"）電路的，即開和關。在開關等裝置機械地進行開和關的操作時，任何一種狀態都不可能在一瞬間完成。裝置會發生非常快速的振動，并非常精細地在開和關之間反復動作后才會轉變為新的狀態。這種現象被稱為"振蕩"。為了讓大家更容易理解"振蕩"的現象，我們制作了一個簡單易懂的體驗程序（圖4）。請大家也試著體驗一下吧。 試著通過控制開關反復點亮、熄滅LED來執行所期望的動作，怎么樣？是不是有時如你所愿，有時又適得其反？產生這種現象的原因就是因為振蕩。如果將振動過程中的狀態作為開關的信號讀取出來，將得不到正確的結果。因此，需用防振蕩程序來解決。 在圖3的程序中，檢測到開關最初被按下后先停止50微妙（0.05秒）后再進行處理（圖3中的⑤）。如果不停止，在檢測到開關被按下時雖然LED也會亮燈，但接下來確認開關的狀態時，由于振蕩的原因，有可能會認為是"開關處于松開的狀態"（因為輸入暫時還沒返回到HIGH）而導致LED熄滅。因此，如上所述，我們通過在開關的狀態穩定之前停止處理（50微妙）的方式來解決這個問題。 本期我們一起學習了GPIO的結構和使用方法。如果將程序中的PIN_LED0的部分換成別的LED號（僅在選0?3時有效），將可以變換閃爍的LED。另外，如果改寫判斷部分的程序，也可以進行諸如"按兩次則LED亮燈，接下來再按1次時熄滅"等復雜的處理。這次的體驗程序只使用了GR-SAKURA上的輸入/輸出設備，但也可將帶有數字輸出功能的外部傳感器連接到GR-SAKURA的I/O端子上，也可以連接LED以外的設備（如電子蜂鳴器）。? (mbbeetchina)