【Arduino】Control I/O pin by avr-libc

Arduino Ports and Register

心血來潮看了一下Arduino底層對pin腳的控制，整理了一下並且分為兩部分：
第一部分：Arduino內部pin腳的port以及register的編號，並且如何使用這些register對腳位進行控制
第二部分：使用最底層的avr-libc進行pinMode、digitalWrite函數的改寫練習，發現使用avr-libc可以有效降低script的大小



Arduino UNO R3版子所用的Atmega328晶片有三個8-bit的PORTs，分別為：

• B (digital pin 8 to 13)
• C (analog input pins)
• D (digital pin 0 to 7)

Port B, C, D在Arduino上的相對位置與Pin腳號碼如圖1：

圖1. Arduino UNO上PortsB, C, D的相對位置[1]

所以位於PortB的Digital Pin 8可以說是PB0，位於PortC的Analog Pin 2也可以說是PC2，而在之後要介紹的AVR-GCC中使用的便是PB0、PC2這種腳位編號方式。
另外在晶片內是透過暫存器（register）來對腳位進行設定，對於Arduino這種AVR晶片來說，每個Port都受三個暫存器控制，分別是（x可以用B, C, D代替）：

• DDRx register：決定腳位是INPUT或是OUTPUT，似pinMode()
• PORTx register：控制腳位輸出訊號為HIGH或為LOW，似digitalWrite()
• PINx register：存有腳位輸入的訊號，似analogRead()

DDRB、DDRC、DDRD register bit所代表的腳位如下表，其中Ax表示Analog pin、Dx表示Digital pin：

表1. Port Register bit所控制的腳位對應表

PORTx、PINx與腳位的對應都可以參考表1。關於Arduino UNO Ports and Registers，在官網上也有一些說明[2]。

Getting Started with AVR-GCC

接下來要實作將Arduino原本的程式碼改以AVR-GCC函數撰寫，下列程式碼為Arduino自帶的blink範例程式，讓位於Pin 13上的LED兩秒一次的頻率閃爍：

	// the setup function runs once when you press reset or power the board
	void setup() {
	// initialize digital pin 13 as an output.
	pinMode(13, OUTPUT);
	}
	// the loop function runs over and over again forever
	void loop() {
	digitalWrite(13, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
	delay(1000); // wait for a second
	digitalWrite(13, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW
	delay(1000); // wait for a second
	}

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由表1可知D13是由DDRB的bit 5（PB5）來控制，所以要用(1 << 5)做為位元遮罩（bit mask），來對特定位元進行操作。DDRx暫存器內，設定1為OUTPUT，而0是代表INPUT；PORTx暫存器內，設定1為輸出HIGH，而0為LOW。改寫後的程式碼如下：

	/*
	Rework original sample with AVR-GCC.
	*/
	// the setup function runs once when you press reset or power the board
	void setup() {
	// initialize digital pin 13 as an output.
	DDRB |= (1 << 5); // pinMode(13, OUTPUT);
	}
	// the loop function runs over and over again forever
	void loop() {
	PORTB |= (1 << 5); //digitalWrite(13, HIGH);
	delay(1000);
	PORTB &= ~(1 << 5); //digitalWrite(13, LOW);
	delay(1000);
	}

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在編譯後可以發現，原本範例的程式碼的binary sketch檔案大小（如圖2）為1082位元組，而改用AVR-GCC程式碼後的binary sketch則為680位元組，減少了將近40%的大小（如圖3）。

圖2. Blink範例的binary sketch檔案大小為1082 bytes

圖3.使用AVR-GCC改寫Blink範例後的binary sketch大小為680 bytes

使用_BV()巨集修改程式

在C語言中，我們可以使用位元運算子（bit operators）處理位元的運算（bitwise operation），範例如下：

	PORTC |= (1 << 0); // Set bit 0 only
	PORTC &= ~(1 << 1); // Clear bit 1 only
	PORTC ^= (1 << 4); // Toggle bit 4 only.
	PORTC |= (1 << 7); // Set bit 7 only.

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在avr-libc中有_BV()巨集，透過輸入一個數值參數便可以轉成適當的位元遮罩，另外BV為bit value的縮寫。_BV()巨集的定義為：

#define _BV(x) (1 << x)

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在使用_BV()巨集時要include <avr/io.h>這支library[6]，所以上面的範例程式碼可以改寫成下面這樣：

	#include <avr/io.h>
	PORC |= _BV(0); //PORTC |= (1 << 0); // Set bit 0 only
	PORCT &= ~_BV(1); //PORTC &= ~(1 << 1); // Clear bit 1 only
	PORTC ^= _BV(4); //PORTC ^= (1 << 4); // Toggle bit 4 only.
	PORTC |= _BV(7); //PORTC |= (1 << 7); // Set bit 7 only.

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而在同時處理多個非連續位元的運算時，使用_BV()巨集可以讓程式碼保持簡單，程式碼比較如下：

	#include <avr/io.h>
	PORTC |= (_BV(0) | _BV(1) | _BV(2)); // Set bits 0, 1, 2
	PORTC &= ~(_BV(3) | _BV(4) | _BV(5)); // Clear bits 3, 4, 5
	PORTC ^= (_BV(6) | _BV(7)); // Toggle bits 6, 7
	//without using MACRO _BV() would looks like this
	PORTC |= ((1 << 0) | (1 << 1) | (1 << 2)); // Set bits 0, 1, 2
	PORTC &= ((1 << 3) | (1 << 4) | (1 << 5)); // Clear bits 3, 4, 5
	PORTC ^= ((1 << 6) | (1 << 7)); // Toggle bits 6, 7

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最後我們可以將avr-libc中的_BV()巨集已及_delay_ms()函數替換剛剛以AVR-GCC改寫的blink範例，讓程式碼更清楚也更輕量：

	/*
	Rework original sample with AVR-libc.
	*/
	#include <avr/io.h>
	#include <util/delay.h>
	// the setup function runs once when you press reset or power the board
	void setup() {
	// initialize digital pin 13 as an output.
	DDRB |= _BV(5); // pinMode(13, OUTPUT);
	}
	// the loop function runs over and over again forever
	void loop() {
	PORTB |= _BV(5); //digitalWrite(13, HIGH);
	_delay_ms(1000);
	PORTB &= ~_BV(5); //digitalWrite(13, LOW);
	_delay_ms(1000);
	}

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圖4. 套用avr-libc函數改寫Blink範例後的binary sketch大小為514 bytes

 


參考資料：
[1] Pighixxx. Arduino UNI Pinout Diagram.
Available from: http://forum.arduino.cc/index.php/topic,146315.0.html

[2] Arduino.cc. Port Registers.
Available from: http://www.arduino.cc/en/Reference/PortManipulation

[3] Cooper Maa. 2.1) Blink part 1.
Available from: http://coopermaa2nd.blogspot.tw/2011/04/21-blink-part-1.html

[4] arduino吧. Arduino 下使用 avr gcc.
Available from: http://tieba.baidu.com/p/1292575395

[5] Cooper Maa. _BV() 巨集介紹.
Available from: http://coopermaa2nd.blogspot.tw/2011/04/bv.html

[6] Atmel. Macro _BV.
Available from: http://www.atmel.com/webdoc/AVRLibcReferenceManual/group__avr__sfr_1ga11643f271076024c395a93800b3d9546.html

[7] Garretlab. pinMode. Available from: http://garretlab.web.fc2.com/en/arduino/inside/arduino/wiring_digital.c/pinMode.html