GPIO

過去の連載「マイコン入門編」で解説したように、電子機器の制御を行うマイコンは、CPUとメモリ、周辺機能で構成されています（図1）。CPUは命令（プログラム）に従って、演算やデータの読み書き、条件判断などを行います。メモリには、そのプログラムを格納（記憶）します。

周辺機能は、マイコンを便利に使うためのさまざまな機能です。例えば、CPUと外部のセンサやスイッチなどの信号のやり取りをするために、周辺機能である「入出力ポート(I/Oポート)」が必要です。

また、アナログの入力信号をデジタルの値に変換する「A/Dコンバータ」や、逆に、デジタルの値をアナログの出力信号に変換する「D/Aコンバータ」は、マイコンがさまざまな信号を扱うために不可欠な周辺機能です。

図1：マイコン内部の構成イメージ

図2：GPIOの基本構造イメージ

• ポート方向レジスタ（PDR）

  端子の方向を決定するためのレジスタで、「方向レジスタ」とも呼ばれます。

• ポート入力データレジスタ（PIDR）

  入力で使う端子の状態を反映するレジスタです。端子からLOWレベルまたはHIGHレベルを入力すると、0または1の値に変換した結果として読み取ることができます。端子の変化に合わせて値も変化します。読み出した時の値は保持されません。

• ポート出力データレジスタ（PODR）

  出力で使う端子の出力データを格納するレジスタです。0または1の値をLOWレベルまたはHIGHレベルの信号に変換して端子から出力します。メモリと同じで書き換えるまでは値を保持しますので、端子からの出力電圧も書き換えるまで保持されます。

GPIOを使って、スイッチの値をLED点滅に反映するプログラム例を図3に示します。スイッチにつながれた端子が入力用であること、LEDにつながれた端子が出力用であることを最初にpinMode関数で指示しています（1）。最初に1回だけ定義すればよいので、setup関数の中で処理します。

次に、「スイッチが押されていたらLEDを点灯し、押されていなかったらLEDを消灯する」部分はloop関数の中で処理します。スイッチが押されたかどうかは、digitalRead(PIN_SW)が返す値で判断します。GR-SAKURAのスイッチは、何もしていない（放している）時はHIGH（プルアップ抵抗を介して、電源につながれる）となり、押されているとLOW（GNDにつながれる）になります。

digitalRead(PIN_SW)が返す値がLOWの場合＝スイッチが押されていたら（2）、LEDを光らせましょう。D1のLEDはdigitalWrite(PIN_LED0, HIGH)とすれば光ります（3）。

押されていないと判断したら、digitalWrite(PIN_LED0, LOW)とすれば（4）、GPIOの出力はLOWになってLEDは消灯します。

GR-SAKURAのWebコンパイラを使って、図4に示したプログラムを実行してみて下さい。Webコンパイラの使い方は、組み込みシステム入門シリーズの「初めてのモノづくりに挑戦！　電子工作入門」の2回目と4回目を参考にして下さい。

初めての「モノづくり」に挑戦！　電子工作入門（2）

初めての「モノづくり」に挑戦！　電子工作入門（4）

/*GR-SAKURA Sketch Template Version: V1.08*/
#include <rxduino.h>
#define	CHATTERING 50
void setup()
{
	pinMode(PIN_SW,INPUT);              ...........(1)
	pinMode(PIN_LED0,OUTPUT);           
}
void loop()
{
	if(digitalRead( PIN_SW) == LOW)      ...........(2)
	{
		digitalWrite(PIN_LED0, HIGH);...........(3)
		delay(CHATTERING);           ...........(5)
	}else
	{
		digitalWrite(PIN_LED0, LOW); ...........(4)
	}
}

図3: プログラム例

スイッチは、回路を導通したり（スイッチを「閉じる」、と表現することもあります）遮断したり（こちらは「開く」と表現することがあります）するものです。オンとオフですね。これをスイッチ等の装置が機械的に行う場合、どちらかの状態に一瞬にして動くわけではありません。装置が非常に速い振動を起こして、オンとオフを細かく繰り返しながら新しい状態に移ります。これを「チャタリング」と呼びます。チャタリングが分かりやすく体験できるプログラムを作成しました（図4）。試しに実行してみましょう。

/*GR-SAKURA Sketch Template Version: V1.08*/
#include <rxduino.h>
void setup( )
{
	pinMode(PIN_SW, INPUT);
	pinMode(PIN_LED0,OUTPUT);
}
void loop( )
{
	if(digitalRead(PIN_SW) == LOW )
		{
			digitalWrite(PIN_LED0 , digitalRead(PIN_LED0) == 0 ? 1: 0);
			while(digitalRead(PIN_SW) == 0);
		}
}

図4：チャタリング体験プログラム
※本プログラムは原理の説明のため、チャタリングはスイッチを押下した場合のみを考慮しています。