ポートレジスタ (AVR)

ポートレジスタを操作すれば digitalRead() / digitalWrite() を高速化できます。

• Port Registers (Port Registers)
• ポート操作 - Arduino 日本語リファレンス
• ポートレジスタ - Arduino リファレンス (garretlab)

例えば LED を本当に同時に点灯させる必要がある場合や、ボタンの入力を高速に読み取る必要がある時に使えますが、MCU の違いによって操作するポートレジスタが異なります。

ピンとポート

ピンとポートの対応表です。AVR 系 Arduino で使われている・・・を比較してみます。

328P 以外はキレイに並んでいるとは言い難いです。

ポートとピン

ポートとピンの対応表です。

ポート操作 (megaAVR)

DDRx (Data Direction Register)

入出力の方向です。1 が出力 (OUTPUT)、0 が入力 (INPUT) です。DDRB は ポート B の入出力の方向を調べたり変更したりできます。機能的には pinMode() と同等です。

PORTx (Data Register)

ピンの状態です。1 が HIGH 、0 が LOW です。PORTB は入出力の方向が出力 (OUTPUT) になっているポート B のピンの状態を調べたり変更したりできます。機能的には digitalRead() / digitalWrite() と同等です。

PINx (Input Pins Register)

入力状態です。1 が HIGH 、0 が LOW です。PINB はポート B のピンの状態を調べられます。機能的には digitalRead() と同等です。

ポート操作 (megaAVR 0-series)

ATMega4809 では ATMega328P エミュレーションでないと上記ポート操作ができません。ATMega4809 でネイティブなポート操作を行うには VPORTx を使います。これはポートレジスタを I/O 空間にマップした仮想ポートです。

VPORTx.DIR

入出力の方向です。1 が出力 (OUTPUT)、0 が入力 (INPUT) です。VPORTB.DIR は ポート B の入出力の方向を調べたり変更したりできます。機能的には pinMode() と同等です。

VPORTx.OUT

ピンの状態です。1 が HIGH 、0 が LOW です。VPORTB.OUT は入出力の方向が出力 (OUTPUT) になっているポート B のピンの状態を調べたり変更したりできます。機能的には digitalRead() / digitalWrite() と同等です。

VPORTx.IN

入力状態です。1 が HIGH 、0 が LOW です。VPORTB.IN はポート B のピンの状態を調べられます。機能的には digitalRead() と同等です。

備考

• VPORTx (x = A..F) は VPORT_t 型の構造体で avr/iom4809.h にて定義されています。
• VPORTx_DIR や VPORTx_OUT (x = A..F) のように完全修飾されたレジスタ名も定義されています。
• VPORT はレジスタエミュレーションの影響を受けません。
• レジスタエミュレーションを使ったコードより 仮想ポートを使ったコードの方がプログラムサイズは小さくなります。

コード移植

UNO のコード

例えば以下のようなコードがあったとします。UNO の MCU は ATMega328P です。

/*
 Conditions only for Arduino UNO
   RST_N- Pin9   
   SS   - Pin10
   MOSI - Pin11
   MISO - Pin12
   SCK  - Pin13
 */
#include <SPI.h>
//0 :5V 1:3.3V
#define OUTPUT_power 0

// only for Arduino UNO
void set_ss_pin(int val) {
    if(val ==HIGH) PORTB |= (4);
    else PORTB &= ~(4);
}

// only for Arduino UNO
void set_rst_pin(int val) {
    if(val ==HIGH) PORTB |= (2);
    else PORTB &= ~(2);
}

digitalWrite() で置き換えると以下のようになります。

/*
 Conditions only for Arduino UNO
   RST_N- Pin9   
   SS   - Pin10
   MOSI - Pin11
   MISO - Pin12
   SCK  - Pin13
 */
#include <SPI.h>
//0 :5V 1:3.3V
#define OUTPUT_power 0

// only for Arduino UNO
void set_ss_pin(int val) {
    digitalWrite(10, val);
}

// only for Arduino UNO
void set_rst_pin(int val) {
    digitalWrite(9, val);
}

UNO のボード画像の一部です。

SS ピンは D10 を使っています。UNO なので PB2、つまり PORT B の 2bit 目を操作しています。最下位ビットは bit0 なので 4 を OR したりビット反転した 4 を AND していたりします。

RST ピンは D9 を使っています。UNO なので PB1、つまり PORT B の 1bit 目を操作しています。最下位ビットは bit0 なので 2 を OR したりビット反転した 2 を AND していたりします。

LEONARDO へのコード

それを踏まえると LEONARDO (ATMega32U4) では以下のようなコードになります。

/*
 Conditions only for Arduino LEONARDO
   RST_N- Pin9   
   SS   - Pin10
   MOSI - Pin11
   MISO - Pin12
   SCK  - Pin13
 */
#include <SPI.h>
//0 :5V 1:3.3V
#define OUTPUT_power 0

// only for Arduino LEONARDO
void set_ss_pin(int val) {
    if(val ==HIGH) PORTB |= (64);
    else PORTB &= ~(64);
}

// only for Arduino LEONARDO
void set_rst_pin(int val) {
    if(val ==HIGH) PORTB |= (32);
    else PORTB &= ~(32);
}

LEONARDO のボード画像の一部です。

SS ピンは D10 を使っています。LEONARDO なので PB6、つまり PORT B の 6bit 目を操作しています。最下位ビットは bit0 なので 64 を OR したりビット反転した 64 を AND します。

RST ピンは D9 を使っています。LEONARDO なので PB5、つまり PORT B の 5bit 目を操作しています。最下位ビットは bit0 なので 32 を OR したりビット反転した 32 を AND します。

MEGA2560 へのコード

さらに MEGA2560 (ATMega2560) では以下のようなコードになります。

/*
 Conditions only for Arduino MEGA2560
   RST_N- Pin9   
   SS   - Pin10
   MOSI - Pin11
   MISO - Pin12
   SCK  - Pin13
 */
#include <SPI.h>
//0 :5V 1:3.3V
#define OUTPUT_power 0

// only for Arduino MEGA2560
void set_ss_pin(int val) {
    if(val ==HIGH) PORTB |= (16);
    else PORTB &= ~(16);
}

// only for Arduino MEGA2560
void set_rst_pin(int val) {
    if(val ==HIGH) PORTH |= (64);
    else PORTH &= ~(64);
}

MEGA2560 のボード画像の一部です。

SS ピンは D10 を使っています。MEGA2560 なので PB4、つまり PORT B の 4bit 目を操作しています。最下位ビットは bit0 なので 16 を OR したりビット反転した 16 を AND します。

RST ピンは D9 を使っています。MEGA2560 なので PH6、つまり PORT H の 6bit 目を操作しています。最下位ビットは bit0 なので 64 を OR したりビット反転した 64 を AND します。

Nano Every へのコード

Nano Every (ATMega4809) では ATMega328 エミュレーションを使えばコードの修正は不要です。

/*
 Conditions only for Arduino Nano Every
   RST_N- Pin9   
   SS   - Pin10
   MOSI - Pin11
   MISO - Pin12
   SCK  - Pin13
 */
#include <SPI.h>
//0 :5V 1:3.3V
#define OUTPUT_power 0

// only for Arduino Nano Every
void set_ss_pin(int val) {
    if(val ==HIGH) PORTB |= (4);
    else PORTB &= ~(4);
}

// only for Arduino Nano Every
void set_rst_pin(int val) {
    if(val ==HIGH) PORTB |= (2);
    else PORTB &= ~(2);
}

ATMega328 エミュレーションを使わない場合には、VPORT を使った次のようなコードになります。

/*
 Conditions only for Arduino Nano Every
   RST_N- Pin9   
   SS   - Pin10
   MOSI - Pin11
   MISO - Pin12
   SCK  - Pin13
 */
#include <SPI.h>
//0 :5V 1:3.3V
#define OUTPUT_power 0

// only for Arduino Nano Every
void set_ss_pin(int val) {
    if(val ==HIGH) VPORTB.OUT |= (2);
    else VPORTB.OUT &= ~(2);
}

// only for Arduino Nano Every
void set_rst_pin(int val) {
    if(val ==HIGH) VPORTB.OUT |= (1);
    else VPORTB.OUT &= ~(1);
}

Nano Every のボード画像の一部です。

SS ピンは D10 を使っています。Nano Every なので PB1、つまり PORT B の 1bit 目を操作しています。最下位ビットは bit0 なので 2 を OR したりビット反転した 2 を AND していたりします。

RST ピンは D9 を使っています。Nano Every なので PB0、つまり PORT B の 0bit 目を操作しています。最下位ビットは bit0 なので 1 を OR したりビット反転した 1 を AND していたりします。

注意点

• UNO では動くのに LEONARDO や MEGA2560 で動かないというコードがあったら、SPI や I²C のピンアサインの確認とともに、このポートレジスタが使われていないかも確認してみてください。
• AVR 以外の MCU ではポートレジスタが使えない場合があるので注意してください。

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