有效使用单片机不可或缺的外设功能是什么呢？

　　单片机仅靠CPU和内存是无法运行的！
　　有效使用单片机不可或缺的“外设功能”是什么呢？
　　正如过去连载的“单片机入门”系列中所介绍的那样，对电子产品进行控制的单片机是由CPU、内存及外设功能等部分组成的（图1）。CPU根据指令（程序），执行运算、数据的读写以及进行条件判断等，而内存则用来保存该程序（记忆）。
　　
　　图1：单片机内部结构示意图
　　外设功能是指为了使单片机便于使用的各种功能。例如，CPU为了与外部的传感器及开关等进行信号交换，就需要“输入/输出端口（I/O端口）”这种外设功能。
　　而且，将模拟输入信号转换为数字值的“A/D转换器”以及反过来将数字值转换为模拟输出信号的“D/A转换器”则是单片机对各种信号进行处理时不可或缺的外设功能。
　　另外，还有为了正确测量时间所用的“定时器”以及提供日期和时计的“实时时钟（RTC）”，用于进行与时间相关的处理，此外还有将并行信号（parallel signal）和串行信号（serial signal）进行互相交换的“UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter，通用异步收发器）”等，以便进行通信。
　　本连载中，将以瑞萨电子单片机--RX63N为例，介绍令单片机更便于使用的外设功能的基础知识。我们将使用搭载了“RX63N”程序的电子板“GR-SAKURA”进行说明，请你也实际操作试试看吧！

　　了解数字信号的输入/输出端口---“GPIO”
　　在“输入/输出端口（I/O端口）”中，数字信号的输入/输出端口即“GPIO（General Purpose Input/Output）”也被称为“通用I/O端口”，是一种用于数字信号输入/输出的非常方便的端口。用于将数字输出的传感器值和开关的ON/OFF值传送到单片机的输入端及通过LED来显示单片机的运算结果，以及输出用于驱动电机运行的信号等等。
　　GPIO被称为通用端口是其引脚既可以用于输入也可以用于输出。在早期的单片机中，引脚都被固定用于输入或输出，但是现在很多单片机中都可以自由地将其设定为输入或输出端口。假设GPIO端子有8个引脚，则可以将4个引脚用于输入，另4个引脚用于输出，也可以将1个引脚用于输入，剩下的7个引脚用于输出。
　　在GPIO中，为了使CPU和外部设备之间进行数据交换，要相互执行通过程序处理的数字值（0或1）与信号（电压的LOW电平或HIGH电平）的转换。下面是作为RX63N单片机的GPIO端口基础的寄存器（※1）的作用（图2）。
　　（※1）寄存器（Register）：存在于单片机的CPU和外设功能内部中的记忆回路。用于运算和保持CPU的执行状态。由于是作为CPU及外设功能的内部回路，所以在对内存进行写入和读取时速度很快，但容量却非常小，既有可以用于各种用途的寄存器（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。
　　
　　图2：GPIO的基本结构示意图
　　● 端口方向寄存器（PDR）
　　决定引脚方向的寄存器，也称为“方向寄存器”。
　　● 端口输入数据寄存器（PIDR）
　　输入时反映所使用的引脚状态的寄存器。从引脚输入LOW电平或者HIGH电平时会将之转换为0或1的值并读取该转换结果。随着引脚的变化数值也将发生变化。所以不会保持读取时的值。
　　● 端口输出数据寄存器（PODR）
　　此寄存器保存用作输出引脚的输出数据。将0或1的值转换为LOW电平或HIGH电平信号并从引脚输出。由于可以与内存一样保持改写前的值，所以在改写前来自引脚的输出电压也将保持不变。

　　通过GR-SAKURA来体验活用了GPIO的程序！
　　本期我们将通过“按下开关时LED会发光”这个程序来学习GPIO的运行。我们将利用GR-SAKURA专用的程序库进行编程。（樱花程序库的“数字I/O”）（仅英文版）
　　在樱花程序库（SAKURA Library）的“数字I/O”中，电路板上的I/O专用引脚究竟是用作输入还是用作输出最初由pinMode（引脚号、模式）函数来指定。一旦指定后，只要引脚的用法没发生变化就无需执行pinMode函数。
　　用作输入时，通过digitalRead函数来指定引脚号，结果将被作为HIGH电平或LOW电平信号被返送回。用作输出时通过digitalWrite函数来指定引脚号。值还是HIGH电平或LOW电平，HIGH电平相当于1，LOW电平相当于0，所以也可将之记述为0或1。
　　由于这次使用的是GR-SAKURA电路板上的开关和LED，所以即使不知道与其相连的引脚号和端口号，如为开关，只需在程序中写入“PIN_SW”，如为LED，只需在程序中写入“PIN_LED0”〜“PIN_LED3”，樱花程序库（SAKURA Library）就会进行处理。
　　图3所示的是使用GPIO时，通过LED的闪烁来反映开关的值的程序例。首先通过pinMode函数来指定与开关相连的引脚作为输入引脚，将与LED连接的引脚作为输出引脚（1）。只需在开始时定义一次就够了，之后将在setup函数中进行处理。
　　接下来，“只要按下开关LED就点亮，不按开关LED就熄灭”的部分在loop函数中进行处理。开关是否被按下要根据digitalRead（PIN_SW）返回的值来判断。所以GR-SAKURA的开关在什么都不做（松开）的状态下为HIGH电平（通过上拉电阻连接电源），被按下时为LOW电平（连接GND）。
　　如果digitalRead（PIN_SW）返回的值为LOW电平时＝开关被按下（2）、LED将被点亮。D1的LED为digitalWrite（PIN_LED0， HIGH）时将被点亮（3）。
　　如果判断为开关没被按下时，当是digitalWrite（PIN_LED0， LOW）时（4），GPIO的输出为LOW电平，LED熄灭。
　　请试着使用GR-SAKURA的Web编译器来执行图4所示的程序。
　　
　　图3：程序例
　　
　　图4：振荡体验程序

　　程序的提示 通过“振荡”来防止误操作
　　开关是用来接通（开关有时显示为“关”）和切断（开关有时显示为“开”）电路的，即开和关。在开关等装置机械地进行开和关的操作时，任何一种状态都不可能在一瞬间完成。装置会发生非常快速的振动，并非常精细地在开和关之间反复动作后才会转变为新的状态。这种现象被称为“振荡”。为了让大家更容易理解“振荡”的现象，我们制作了一个简单易懂的体验程序（图4）。请大家也试着体验一下吧。
　　试着通过控制开关反复点亮、熄灭LED来执行所期望的动作，怎么样？是不是有时如你所愿，有时又适得其反？产生这种现象的原因就是因为振荡。如果将振动过程中的状态作为开关的信号读取出来，将得不到正确的结果。因此，需用防振荡程序来解决。
　　在图3的程序中，检测到开关最初被按下后先停止50微妙（0.05秒）后再进行处理（图3中的⑤）。如果不停止，在检测到开关被按下时虽然LED也会亮灯，但接下来确认开关的状态时，由于振荡的原因，有可能会认为是“开关处于松开的状态”（因为输入暂时还没返回到HIGH）而导致LED熄灭。因此，如上所述，我们通过在开关的状态稳定之前停止处理（50微妙）的方式来解决这个问题。
　　本期我们一起学习了GPIO的结构和使用方法。如果将程序中的PIN_LED0的部分换成别的LED号（仅在选0〜3时有效），将可以变换闪烁的LED。另外，如果改写判断部分的程序，也可以进行诸如“按两次则LED亮灯，接下来再按1次时熄灭”等复杂的处理。这次的体验程序只使用了GR-SAKURA上的输入/输出设备，但也可将带有数字输出功能的外部传感器连接到GR-SAKURA的I/O端子上，也可以连接LED以外的设备（如电子蜂鸣器）。