С внешним миром микроконтроллер общается через порты ввода вывода. Схема порта ввода вывода указана в даташите:
 |
Но новичку там разобраться довольно сложно. Поэтому я ее несколько упростил:
 |
Итак, что же представляет собой один вывод микроконтроллера. Вначале на входе стоит небольшая защита из диодов, она призвана защитить ввод микроконтроллера от превышения напряжения. Если напряжение будет выше питания, то верхний диод откроется и это напряжение будет стравлено на шину питания, где с ним будет уже бороться источник питания и его фильтры. Если на ввод попадет отрицательное (ниже нулевого уровня) напряжение, то оно будет нейтрализовано через нижний диод и погасится на землю. Впрочем, диоды там хилые и защита эта помогает только от микроскопических импульсов от помех. Если же ты по ошибке вкачаешь в ножку микроконтроллера вольт 6-7 при 5 вольтах питания, то никакой диод его не спасет.
Конденсатор, нарисованный пунктиром, это паразитная емкость вывода. Хоть она и крошечная, но присутствует. Обычно ее не учитывают, но она есть. Не забивай голову, просто знай это, как нибудь я тебе даже покажу как её можно применить ,)
Дальше идут ключи управления. Это я их нарисовал рубильниками, на самом деле там стоят полевые транзисторы, но особой сути это не меняет. А рубильники наглядней.
Каждый рубильник подчинен логическому условию которое я подписал на рисунке. Когда условие выполняется ключ замыкается. PIN, PORT, DDR это регистры конфигурации порта.
Есть в каждом контроллере AVR (в PIC есть тоже подобные регистры, только звать их по другому).
Например, смотри в даташите на цоколевку микросхемы:
 |
Видишь у каждой почти ножки есть обозначение Pxx. Например, PB4 где буква B означает имя порта, а цифра номер бита в порту. За порт B отвечают три восьмиразрядных регистра PORTB, PINB, DDRB, а каждый бит в этом регистре отвечает за соответствующую ножку порта. За порт А таким же образом отвечают PORTA, DDRA, PINA.
PINх
Это регистр чтения. Из него можно только читать. В регистре PINx содержится информация о реальном текущем логическом уровне на выводах порта. Вне зависимости от настроек порта. Так что если хотим узнать что у нас на входе читаем соответствующий бит регистра PINx Причем существует две границы: граница гарантированного нуля и граница гарантированной единицы пороги за которыми мы можем однозначно четко определить текущий логический уровень. Для пятивольтового питания это 1.4 и 1.8 вольт соответственно. То есть при снижении напряжения от максимума до минимума бит в регистре PIN переключится с 1 на 0 только при снижении напруги ниже 1.4 вольт, а вот когда напруга нарастает от минимума до максимума переключение бита с 0 на 1 будет только по достижении напряжения в 1.8 вольта. То есть возникает гистерезис переключения с 0 на 1, что исключает хаотичные переключения под действием помех и наводок, а также исключает ошибочное считывание логического уровня между порогами переключения.
При снижении напряжения питания разумеется эти пороги также снижаются, график зависимости порогов переключения от питающего напряжения можно найти в даташите.
DDRx
Это регистр направления порта. Порт в конкретный момент времени может быть либо входом либо выходом (но для состояния битов PIN это значения не имеет. Читать из PIN реальное значение можно всегда).
- DDRxy=0 вывод работает как ВХОД.
- DDRxy=1 вывод работает на ВЫХОД.
PORTx
Режим управления состоянием вывода. Когда мы настраиваем вывод на вход, то от PORT зависит тип входа (Hi-Z или PullUp, об этом чуть ниже).
Когда ножка настроена на выход, то значение соответствующего бита в регистре PORTx определяет состояние вывода. Если PORTxy=1 то на выводе лог1, если PORTxy=0 то на выводе лог0.
Когда ножка настроена на вход, то если PORTxy=0, то вывод в режиме Hi-Z. Если PORTxy=1 то вывод в режиме PullUp с подтяжкой резистором в 100к до питания.
Есть еще бит PUD (PullUp Disable) в регистре SFIOR он запрещает включение подтяжки сразу для всех портов. По дефолту он равен 0. Честно говоря, я даже не знаю нафиг он нужен ни разу не доводилось его применять и даже не представляю себе ситуацию когда бы мне надо было запретить использование подтяжки сразу для всех портов. Ну да ладно, инженерам Atmel видней, просто знай что такой бит есть. Мало ли, вдруг будешь чужую прошивку ковырять и увидишь что у тебя подтяжка не работает, а вроде как должна. Тогда слазаешь и проверишь этот бит, вдруг автор прошивки заранее где то его сбросил.
Общая картина работы порта показана на рисунке:
 |
Теперь кратко о режимах:
- Режим выхода
Ну тут, думаю, все понятно если нам надо выдать в порт 1 мы включаем порт на выход (DDRxy=1) и записываем в PORTxy единицу при этом замыкается верхний ключ и на выводе появляется напряжение близкое к питанию. А если надо ноль, то в PORTxy записываем 0 и открывается уже нижний вентиль, что дает на выводе около нуля вольт. - Вход Hi-Z режим высокоимпендансного входа.
Этот режим включен по умолчанию. Все вентили разомкнуты, а сопротивление порта очень велико. В принципе, по сравнению с другими режимами, можно его считать бесконечностью. То есть электрически вывод как бы вообще никуда не подключен и ни на что не влияет. Но! При этом он постоянно считывает свое состояние в регистр PIN и мы всегда можем узнать что у нас на входе единица или ноль. Этот режим хорош для прослушивания какой либо шины данных, т.к. он не оказывает на шину никакого влияния. А что будет если вход висит в воздухе? А в этом случае напряжение будет на нем скакать в зависимости от внешних наводок, электромагнитных помех и вообще от фазы луны и погоды на Марсе (идеальный способ нарубить случайных чисел!). Очень часто на порту в этом случае нестабильный синус 50Гц наводка от сети 220В, а в регистре PIN будет меняться 0 и 1 с частотой около 50Гц - Вход PullUp вход с подтяжкой.
При DDRxy=0 и PORTxy=1 замыкается ключ подтяжки и к линии подключается резистор в 100кОм, что моментально приводит неподключенную никуда линию в состояние лог1. Цель подтяжки очевидна недопустить хаотичного изменения состояния на входе под действием наводок. Но если на входе появится логический ноль (замыкание линии на землю кнопкой или другим микроконтроллером/микросхемой), то слабый 100кОмный резистор не сможет удерживать напряжение на линии на уровне лог1 и на входе будет нуль.
Также почти каждая ножка имеет дополнительные функции. На распиновке они подписаны в скобках. Это могут быть выводы приемопередатчиков, разные последовательные интерфейсы, аналоговые входы, выходы ШИМ генераторов. Да чего там только нет. По умолчанию все эти функции отключены, а вывод управляется исключительно парой DDR и PORT, но если включить какую-либо дополнительную функцию, то тут уже управление может полностью или частично перейти под контроль периферийного устройства и тогда хоть запишись в DDR/PORT ничего не изменится. До тех пор пока не выключишь периферию занимающую эти выводы.
Например, приемник USART. Стоит только выставить бит разрешения приема RXEN как вывод RxD, как бы он ни был настроен до этого, переходит в режим входа.
Совет:
С целью снижения энергопотребления и повышения надежности рекомендуется все неиспользованные пины включить в режим PullUp тогда их не будет дергать туда сюда помехой, а если на порт свалится грубая сила (например, монтажник отвертку уронит и коротнет на землю) то линия не выгорит.
Как запомнить режимы, чтобы не лазать каждый раз в справочник:
Чем зазубривать или писать напоминалки, лучше понять логику разработчиков, проектировавших эти настройки, и тогда все запомнится само.
Итак:
- Самый безопасный для МК и схемы, ни на что не влияющий режим это Hi-Z.
- Очевидно что этот режим и должен быть по дефолту.
- Значения большинства портов I/O при включении питания/сбросе = 0х00, PORT и DDR не исключение.
- Соответственно когда DDR=0 и PORT=0 это High-Z самый безопасный режим, оптимальный при старте.
- Hi-Z это вход, значит при DDR=0 нога настроена на вход. Запомнили.
- Однако, если DDR=0 вход, то что будет если PORT переключить в 1?
- Очевидно, что будет другой режим входа. Какой? Pullup, другого не дано! Логично? Логично. Запомнили.
- Раз дефолтный режим был входом и одновременно в регистрах нуль, то для того, чтобы настроить вывод на выход надо в DDR записать 1.
- Ну, а состояние выхода уже соответствует регистру PORT высокий это 1, низкий это 0.
- Читаем же из регистра PIN.
Есть еще один способ, мнемонический:
1 похожа на стрелку. Стрелка выходящая из МК выход. Значит DDR=1 это выход! 0 похож на гнездо, дырку вход! Резистор подтяжки дает в висящем порту единичку, значит PORT в режиме Pullup должен быть в единичке!
Все просто! 🙂
Для детей в картинках и комиксах 🙂
Для большей ясности с режимами приведу образный пример:
 |
Уровень напряжения на выводе словно планка, которая может двигаться вертикально вверх или вниз. В режиме Hi-Z мы можем на эту планку только смотреть, а двигать или как то на нее воздействовать мы не можем. Поэтому любая помеха может ее дрыгать как угодно, но зато если мы ее куда прицепим, то ее уровень будет зависеть только от другой цепи и ей мы не помешаем.
 |
В режиме PullUp эту планку мы пружиной подтянули кверху. Слабые помехи не смогут больше ее дрыгать как угодно. С другой стороны шине она может помешать, но не факт что заблокирует ее работу. От шины зависит и ее силы. А еще мы можем отслеживать тупую внешнюю силу, вроде кнопки, которая может взять и придавить ее к земле. Тогда мы узнаем что кнопка нажата.
 |
В режиме OUT у нас планка прибита гвоздями к земле или прижата домкратом к питанию. Внешняя сила может ее пересилить только сломав домкрат или сломается сама. Тупая внешняя сила просто разрушает наш домкрат или вырывает гвозди из пола с мясом. В любом случае девайс в помойку.
Оцените статью!