Arduino 入門番外編 22 【IOピンポート・レジスタまとめ】

Arduino 入門
番外編 22
【IOピンポート・レジスタまとめ】

こんにちは管理人のomoroyaです。

arduino 入門番外編はarduinoの基本的なことを解説している記事です。

本記事は、IOピンを高速かつ簡単に設定できるポート・レジスタについてです。

Arduinoのピン状態を設定するコマンドは「pinMode()」「digitalWrite()」「digitalRead()」。

管理人はスケッチ（コード）を描くのに慣れるまでは、上記で描くのが良いと考えています。

なぜなら、ポート・レジスタを使用することで

デバック、メンテナンスが難しくなる
移植が難しくなる

などの問題があるからです。

入門者、初級者は使わない方が良いかもしれません。

しかし、ある程度スケッチ（コード）を描くのに慣れてきた場合、「pinMode()」「digitalWrite()」で一つ一つのPINを設定するのも煩雑に思えてくるもの。

また、色々遊んでいくうちに下記のような問題にぶつかるかもしれません。

一つ一つ設定するため、同時にPINの状態を設定することがでない
コマンド処理に時間がかかる

補足（処理時間について）
普通に遊んでいる分には気にする必要ありません。
処理時間に関してはasm() を使うという手もありますが上級者向けです。

上記を解決するために、ポート・レジスタの使い方を覚えておくと便利です。

スケッチを簡略化、IOピンの処理を高速化と一石二鳥のコマンドでとても便利です。

下記Lessonのスケッチで参考として使ってみました。

Arduino 入門 Lesson 56 【MQ-3 アルコールセンサその３】

本記事はLesson 56 【MQ-3 アルコールセンサその３】。Lesson 54でMQ-3、アルコールセンサの基本制御を理解。Lesson 55でMQ-3とプラス電子部品で遊びました。本Lessonでは、MQ-3センサのアナログ出力を…

ポート・レジスタを通じて、ArduinoボードのIOピンを制御することで、高速かつ簡単に状態設定をすることができます。

管理人はプログラマーの専門家というわけではありません。

気が向いたときにテキストを開き、ネットを調べ自己学習。

管理人にとってはブログ記事が自己学習のノートです。

書くことによって頭の中が整理できる。

何よりも、忘れたときに見返せるってのが良い。

arduino自身のこと、スケッチ（コード、プログラム）を少しづつ理解して行きましょう。

いやいや、arduinoを早速始めたいんだ！というかたは下記の入門編からお読みください。

Arduino入門編の解説にて使用しているArduinoは互換品です。

互換品とは言え、Arduinoはオープンソースであり複製して販売するのもライセンス的に問題なし。

そのため互換品の品質も悪くなく、それでいて値段は安いです。

正規品本体の値段程度で豊富な部品が多数ついています。

ELEGOO Arduino用UNO R3スターターキットレベルアップチュートリアル付 mega2560 r3 nanoと互換 [並行輸入品]

ELEGOO

ELEGOO Arduino用のUNO R3 最終版スタータキット UNOチュートリアル付 (63 Items)

ELEGOO

正規品（Arduino UNO R3）の本体単品がほしい方はこちらとなります。

Arduino Uno Rev3 A000066

Arduino (アルドゥイーノ)

Arduino入門編2では「Arduino UNO R4 Minima」「Arduino UNO R4 WIFI」にて遊ぶため今のところは正規品を使用。（まだ互換品が・・・ほぼない）

Arduino UNO R4 Minima [ABX00080] - Renesas RA4M1 - USB-C、CAN、DAC (12ビット)、OP AMP、SWDコネクター。

Arduino (アルドゥイーノ)

Arduino (アルドゥイーノ)

ポート・レジスタ基本解説
ポート・レジスタ設定方法
まとめ
最後に
Amazonでお得に買う方法

ポート・レジスタ基本解説

まずは基本的なことを学習。

Arduinoボードで使われているマイコンのポートは以下の３つ。

ポートB (デジタルピン8から13)
ポートC (アナログピン)
ポートD (デジタルピン0から7)

Arduino言語で定義されているポート制御レジスタは以下の３つ。

ポート制御レジスタ	内容
方向レジスタ DDRx	ピンのINPUT、OUTPを設定 x：B/C/D
データレジスタ PORTx	ピンのHIGH、LOWを設定 x：B/C/D
入力レジスタ PINx	INPUTピンの状態読み取り x：B/C/D

※1　DDR、PORTレジスタ　読み書き両方が可能
※2　PINレジスタ　　　　　読み取り専用

■PIN番号（参考）

■補足
PORTB：デジタルピン　8～13（６、７は水晶発振器が接続されているので使用不可）
PORTC：アナログピン　0～5

PINのマッピングは公式で確認することができます。

https://www.arduino.cc/en/Hacking/Atmega168Hardware

…

ポート・レジスタ設定方法

実際の使い方を解説していきます。

方向レジスタ　DRDx

方向レジスタ（DRDx）の設定。

方向レジスタは、Arduino言語の「pinMode()」の代わりに使用できます。

■ポートD (デジタルピン0から7)の設定方法

Arduino言語のpinMode()と比較してみましょう。

/* ponMpde()使用にてピン方向を設定 */
pinMode(0, INPUT);
pinMode(1, OUTPUT);
pinMode(2, OUTPUT);
pinMode(3, OUTPUT);
pinMode(4, INPUT);
pinMode(5, INPUT);
pinMode(6, OUTPUT);
pinMode(7, OUTPUT);

/* DDRDレジスタにてピン方向を設定 */
//BXXXXXXXX(MSB <--> LSB)
//0:INPUT 1:OUTPUT
DDRD = B11001110;

１行で描けちゃいます。

データレジスタ　PORTx

データレジスタ（PORTx）の設定。

データレジスタは、Arduino言語の「digitalWrite()」の代わりに使用できます。

■ポートD (デジタルピン0から7)の設定方法

DDRxかpinMode()によってピンが出力を設定している前提で使います。

Output指定されたピンだけに5Vが発生します。

Arduino言語のdigitalWrite()と比較してみましょう。

/* digitalWrite()使用にてHIGH/LOWを設定 */
digitalWrite(0, LOW);
digitalWrite(1, LOW);
digitalWrite(2, HIGH);
digitalWrite(3, HIGH);
digitalWrite(4, LOW);
digitalWrite(5, LOW);
digitalWrite(6, HIGH);
digitalWrite(7, HIGH);

/* PORTDレジスタにてHIGH/LOWを設定 */
//BXXXXXXXX(MSB <--> LSB)
//0:LOW 1:HIGH
PORTD = B11001100;

１行で描けちゃいます。

入力レジスタ　PINx

入力レジスタ（PINx）の設定。

入力レジスタは、Arduino言語の「digitalRead()」の代わりに使用できます。

デジタル入力のピンを同時に読み取ることができます。

「PINx」は使い方がわかりづらい。

高速化したいなどがなければ、通常は「digitalRead()」で良いと考えます。

補足
digitalRead()やdigitalWrite()は10行以上のコードで作られています。
直接ポートにアクセスすることによって時間短縮が可能。

■ポートD (デジタルピン0から7)の設定方法

Arduino言語のdigitalRead()と比較してみましょう。

/* digitalRead()使用にてピンの値を読み取り */
//デジタル入力ピン0～7の読み取り
val0 = digitalRead(0);
val1 = digitalRead(1);
val2 = digitalRead(2);
val3 = digitalRead(3);
val4 = digitalRead(4);
val5 = digitalRead(5);
val6 = digitalRead(6);
val7 = digitalRead(7);

/* PORTDレジスタにてピン方向を設定 */
//デジタル入力ピン0～7の読み取り
//BXXXXXXXX(MSB <--> LSB)
//1:読み取り
val0 = PIND & B00000001;
val1 = PIND & B00000010;
val2 = PIND & B00000100;
val3 = PIND & B00001000;
val4 = PIND & B00010000;
val5 = PIND & B00100000;
val6 = PIND & B01000000;
val7 = PIND & B10000000;

ちなみに、下記のように描くこともできます。

/* PORTDレジスタにてピン方向を設定 */
//デジタル入力ピン0～7の読み取り
//B00000001(MSB <--> LSB)
//1:読み取り
val0 = PIND & _BV(0);
val1 = PIND & _BV(1);
val2 = PIND & _BV(2);
val3 = PIND & _BV(3);
val4 = PIND & _BV(4);
val5 = PIND & _BV(5);
val6 = PIND & _BV(6);
val7 = PIND & _BV(7);

_BV()：指定したビット数だけ1を左シフト