本連載共分6期，將介紹有效使用單片機(jī)外設(shè)功能的結(jié)構(gòu)及使用方法。通過(guò)本連載的學(xué)習(xí)，我們將能學(xué)到各種單片機(jī)共通的基本外設(shè)功能，并可廣泛應(yīng)用到各個(gè)方面。 單片機(jī)僅靠CPU和內(nèi)存是無(wú)法運(yùn)行的！ 有效使用單片機(jī)不可或缺的“外設(shè)功能”是什么呢？ 正如過(guò)去連載的“單片機(jī)入門(mén)”系列中所介紹的那樣，對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行控制的單片機(jī)是由CPU、內(nèi)存及外設(shè)功能等部分組成的（圖1）。CPU根據(jù)指令（程序），執(zhí)行運(yùn)算、數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)以及進(jìn)行條件判斷等，而內(nèi)存則用來(lái)保存該程序（記憶）。 圖1：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 外設(shè)功能是指為了使單片機(jī)便于使用的各種功能。例如，CPU為了與外部的傳感器及開(kāi)關(guān)等進(jìn)行信號(hào)交換，就需要“輸入/輸出端口(I/O端口)”這種外設(shè)功能。 而且，將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的“A/D轉(zhuǎn)換器”以及反過(guò)來(lái)將數(shù)字值轉(zhuǎn)換為模擬輸出信號(hào)的“D/A轉(zhuǎn)換器”則是單片機(jī)對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)不可或缺的外設(shè)功能。 另外，還有為了正確測(cè)量時(shí)間所用的“定時(shí)器”以及提供日期和時(shí)計(jì)的“實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）”，用于進(jìn)行與時(shí)間相關(guān)的處理，此外還有將并行信號(hào)(parallel signal)和串行信號(hào)(serial signal)進(jìn)行互相交換的“UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用異步收發(fā)器）”等，以便進(jìn)行通信。 本連載中，將以瑞薩電子單片機(jī)--RX63N為例，介紹令單片機(jī)更便于使用的外設(shè)功能的基礎(chǔ)知識(shí)。我們將使用搭載了“RX63N”程序的電子板“GR-SAKURA”進(jìn)行說(shuō)明，請(qǐng)你也實(shí)際操作試試看吧！ 了解數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出端口---“GPIO” 在“輸入/輸出端口(I/O端口)”中，數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出端口即“GPIO（General Purpose Input/Output）”也被稱(chēng)為“通用I/O端口”，是一種用于數(shù)字信號(hào)輸入/輸出的非常方便的端口。用于將數(shù)字輸出的傳感器值和開(kāi)關(guān)的ON/OFF值傳送到單片機(jī)的輸入端及通過(guò)LED來(lái)顯示單片機(jī)的運(yùn)算結(jié)果，以及輸出用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行的信號(hào)等等。 GPIO被稱(chēng)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(jī)中，引腳都被固定用于輸入或輸出，但是現(xiàn)在很多單片機(jī)中都可以自由地將其設(shè)定為輸入或輸出端口。假設(shè)GPIO端子有8個(gè)引腳，則可以將4個(gè)引腳用于輸入，另4個(gè)引腳用于輸出，也可以將1個(gè)引腳用于輸入，剩下的7個(gè)引腳用于輸出。 在GPIO中，為了使CPU和外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，要相互執(zhí)行通過(guò)程序處理的數(shù)字值（0或1）與信號(hào)（電壓的LOW電平或HIGH電平）的轉(zhuǎn)換。下面是作為RX63N單片機(jī)的GPIO端口基礎(chǔ)的寄存器（※1）的作用（圖2）。 （※1）寄存器（Register）：存在于單片機(jī)的CPU和外設(shè)功能內(nèi)部中的記憶回路。用于運(yùn)算和保持CPU的執(zhí)行狀態(tài)。由于是作為CPU及外設(shè)功能的內(nèi)部回路，所以在對(duì)內(nèi)存進(jìn)行寫(xiě)入和讀取時(shí)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(jié)構(gòu)示意圖 ● 端口方向寄存器（PDR） 決定引腳方向的寄存器，也稱(chēng)為“方向寄存器”。 ● 端口輸入數(shù)據(jù)寄存器（PIDR） 輸入時(shí)反映所使用的引腳狀態(tài)的寄存器。從引腳輸入LOW電平或者HIGH電平時(shí)會(huì)將之轉(zhuǎn)換為0或1的值并讀取該轉(zhuǎn)換結(jié)果。隨著引腳的變化數(shù)值也將發(fā)生變化。所以不會(huì)保持讀取時(shí)的值。 ● 端口輸出數(shù)據(jù)寄存器（PODR） 此寄存器保存用作輸出引腳的輸出數(shù)據(jù)。將0或1的值轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)OW電平或HIGH電平信號(hào)并從引腳輸出。由于可以與內(nèi)存一樣保持改寫(xiě)前的值，所以在改寫(xiě)前來(lái)自引腳的輸出電壓也將保持不變。 通過(guò)GR-SAKURA來(lái)體驗(yàn)活用了GPIO的程序! 本期我們將通過(guò)“按下開(kāi)關(guān)時(shí)LED會(huì)發(fā)光”這個(gè)程序來(lái)學(xué)習(xí)GPIO的運(yùn)行。我們將利用GR-SAKURA專(zhuān)用的程序庫(kù)進(jìn)行編程。（櫻花程序庫(kù)的“數(shù)字I/O”）(僅英文版) 在櫻花程序庫(kù)（SAKURA Library）的“數(shù)字I/O”中，電路板上的I/O專(zhuān)用引腳究竟是用作輸入還是用作輸出最初由pinMode（引腳號(hào)、模式）函數(shù)來(lái)指定。一旦指定后，只要引腳的用法沒(méi)發(fā)生變化就無(wú)需執(zhí)行pinMode函數(shù)。 用作輸入時(shí)，通過(guò)digitalRead函數(shù)來(lái)指定引腳號(hào)，結(jié)果將被作為HIGH電平或LOW電平信號(hào)被返送回。用作輸出時(shí)通過(guò)digitalWrite函數(shù)來(lái)指定引腳號(hào)。值還是HIGH電平或LOW電平，HIGH電平相當(dāng)于1，LOW電平相當(dāng)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(kāi)關(guān)和LED，所以即使不知道與其相連的引腳號(hào)和端口號(hào)，如為開(kāi)關(guān)，只需在程序中寫(xiě)入“PIN_SW”，如為L(zhǎng)ED，只需在程序中寫(xiě)入“PIN_LED0”?“PIN_LED3”，櫻花程序庫(kù)（SAKURA Library）就會(huì)進(jìn)行處理。 (僅英文版) (僅英文版) 圖3所示的是使用GPIO時(shí)，通過(guò)LED的閃爍來(lái)反映開(kāi)關(guān)的值的程序例。首先通過(guò)pinMode函數(shù)來(lái)指定與開(kāi)關(guān)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(kāi)始時(shí)定義一次就夠了，之后將在setup函數(shù)中進(jìn)行處理。 接下來(lái)，“只要按下開(kāi)關(guān)LED就點(diǎn)亮，不按開(kāi)關(guān)LED就熄滅”的部分在loop函數(shù)中進(jìn)行處理。開(kāi)關(guān)是否被按下要根據(jù)digitalRead(PIN_SW)返回的值來(lái)判斷。所以GR-SAKURA的開(kāi)關(guān)在什么都不做（松開(kāi)）的狀態(tài)下為HIGH電平（通過(guò)上拉電阻連接電源），被按下時(shí)為L(zhǎng)OW電平（連接GND）。 如果digitalRead(PIN_SW)返回的值為L(zhǎng)OW電平時(shí)＝開(kāi)關(guān)被按下（2）、LED將被點(diǎn)亮。D1的LED為digitalWrite(PIN_LED0, HIGH)時(shí)將被點(diǎn)亮（3）。 如果判斷為開(kāi)關(guān)沒(méi)被按下時(shí)，當(dāng)是digitalWrite(PIN_LED0, LOW)時(shí)（4），GPIO的輸出為L(zhǎng)OW電平，LED熄滅。 請(qǐng)?jiān)囍褂肎R-SAKURA的Web編譯器來(lái)執(zhí)行圖4所示的程序。 圖3：程序例 圖4：振蕩體驗(yàn)程序 程序的提示 通過(guò)"振蕩"來(lái)防止誤操作 開(kāi)關(guān)是用來(lái)接通（開(kāi)關(guān)有時(shí)顯示為"關(guān)"）和切斷（開(kāi)關(guān)有時(shí)顯示為"開(kāi)"）電路的，即開(kāi)和關(guān)。在開(kāi)關(guān)等裝置機(jī)械地進(jìn)行開(kāi)和關(guān)的操作時(shí)，任何一種狀態(tài)都不可能在一瞬間完成。裝置會(huì)發(fā)生非?？焖俚恼駝?dòng)，并非常精細(xì)地在開(kāi)和關(guān)之間反復(fù)動(dòng)作后才會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌臓顟B(tài)。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為"振蕩"。為了讓大家更容易理解"振蕩"的現(xiàn)象，我們制作了一個(gè)簡(jiǎn)單易懂的體驗(yàn)程序（圖4）。請(qǐng)大家也試著體驗(yàn)一下吧。 試著通過(guò)控制開(kāi)關(guān)反復(fù)點(diǎn)亮、熄滅LED來(lái)執(zhí)行所期望的動(dòng)作，怎么樣？是不是有時(shí)如你所愿，有時(shí)又適得其反？產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因就是因?yàn)檎袷?。如果將振?dòng)過(guò)程中的狀態(tài)作為開(kāi)關(guān)的信號(hào)讀取出來(lái)，將得不到正確的結(jié)果。因此，需用防振蕩程序來(lái)解決。 在圖3的程序中，檢測(cè)到開(kāi)關(guān)最初被按下后先停止50微妙（0.05秒）后再進(jìn)行處理（圖3中的⑤）。如果不停止，在檢測(cè)到開(kāi)關(guān)被按下時(shí)雖然LED也會(huì)亮燈，但接下來(lái)確認(rèn)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)時(shí)，由于振蕩的原因，有可能會(huì)認(rèn)為是"開(kāi)關(guān)處于松開(kāi)的狀態(tài)"（因?yàn)檩斎霑簳r(shí)還沒(méi)返回到HIGH）而導(dǎo)致LED熄滅。因此，如上所述，我們通過(guò)在開(kāi)關(guān)的狀態(tài)穩(wěn)定之前停止處理（50微妙）的方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。 本期我們一起學(xué)習(xí)了GPIO的結(jié)構(gòu)和使用方法。如果將程序中的PIN_LED0的部分換成別的LED號(hào)（僅在選0?3時(shí)有效），將可以變換閃爍的LED。另外，如果改寫(xiě)判斷部分的程序，也可以進(jìn)行諸如"按兩次則LED亮燈，接下來(lái)再按1次時(shí)熄滅"等復(fù)雜的處理。這次的體驗(yàn)程序只使用了GR-SAKURA上的輸入/輸出設(shè)備，但也可將帶有數(shù)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(shè)備（如電子蜂鳴器）。? (mbbeetchina)