GPIO (General-Purpose Input/Output) este calitatea unui pin al unui circuit integrat de a-i putea fi controlat comportamentul, adică direcția de trecere a curentului electric prin el și valoarea acestuia, într-un mod programatic. Astfel, noi putem să configurăm un pin pentru a 'scrie' o valoare, caz în care pinul devine o sursă de '0' sau de '1' logic, controlată prin registre (practic legăm pinul la VCC sau GND cu ajutorul unor tranzistori). În acest mod putem, spre exemplu, să aprindem un led folosind instrucțiuni.

Un pin GPIO poate fi folosit, de asemenea, și pentru 'citire'. Astfel, putem afla dacă pinul este comandat din exterior către '0' sau '1' logic.

Un pin este o bucată de metal ce permite crearea unei legături între componente electrice. În cazul circuitelor integrate pinii pot ieși din capsula integratului sau pot face parte dintr-una din fețele sale, caz în care ne referim la ei ca pad-uri.

În datasheetul ATTiny20, la pagina 2, sunt descrise configurațiile pinilor. Observați ca exista mai multe configurații, deoarece acest microcontroller vine în diferite capsule ce diferă ca mărime, cost și metodă de lipire.

Să ne concentrăm pe prima varianta, descrisă în capitolul 1.1, SOIC (Small Outline Integrated Circuit) & TSSOP (Thin-Shrink Small Outline Package). Primul lucru pe care îl observăm este că această capsulă are 14 pini. Dintre aceștia, doi sunt necesari pentru alimentarea microcontroller-ului (VCC - pinul 1, si GND - pinul 14). Evident, acești doi pini nu pot fi folosiți ca GPIO. Însă restul, da!

Observăm că pinii, pentru a fi mai ușor de folosit, au câte o denumire. Această denumire ne indică și ce funcții poate avea acel pin. În cazul pinilor 1 și 14 este simplu: VCC - alimentare de curent continuu, și GND - masă (ground). Denumirea celorlalți pini este de forma PXn, unde X este în {A, B} și n este în {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7} (spre exemplu: PB0, PA5, PB4, PA7). Aceasta este denumirea principală a acestor pini. Între paranteze găsim și denumiri auxiliare, care indică funcții alternative ale pinilor (spre exemplu: pinul PA0 mai este numit și ADC0, ceea ce înseamnă că el poate servi ca și intrare pentru convertorul analog-digital).

În cadrul microprocesoarelor ca ATTiny20, avem de-a face cu două tipuri de registre de control:

• Registre de control a modulelor periferice (e.g. timer, convertor analog-digital, controller USB, placă de rețea, placă video, tastatura, etc.)
• Registre de control a pinilor de intrare/ieșire (pinii GPIO - ținta noastră în acest laborator)

Pentru modulele periferice, registrele de control sunt folosite pentru a efectua operații precum: pornește/oprește modulul, schimbă anumite setări (e.g. BAUD rate pentru portul serial), etc. Pe lângă registre, pentru a interacționa cu aceste periferice, mai folosim registre de stare (pentru a afla care este starea perifericului), și registre de date (pentru a transmite/recepționa date către/de la el).

Dacă un pin are funcția de GPIO, atunci vom putea să îi controlăm direcția și valoarea în mod programatic. Vom realiza acestea prin scrieri/citiri în/din registre speciale, ce controlează exact acest comportament.

Registrele care controlează comportamentul unui port sunt:

• DDRx: Data Direction Register (i.e.: DDRA și DDRB),
• PORTx: Data Register (i.e.: PORTA și PORTB),
• PINx: Data Input Register (i.e.: PINA și PINB).

Fiecare dintre aceste registre are 8 biți, câte unul pentru fiecare pin logic al portului. De exemplu, DDRA (pentru portul A) are biții DDA0, DDA1, …, DDA7, PORTA are biții PORTA0, …, PORTA7 și PINA are biții PINA0, …, PINA7. În continuare ne vom limita doar la portul A al microncontrollerului.

Schimbând un bit din 1 în 0 sau invers putem schimba comportamentul pinului. Astfel, registrele menționate anterior au următoarea funcționalitate:

Registrul DDRx controleaza direcția pinilor din portul x:

• DDRxn == 0: dacă bitul n este 0 atunci pinul respectiv va funcționa ca și intrare (microcontroller-ul nu va impune nicio tensiune pe linie, ci îl va lăsa în stare de înaltă impedanță, Z)
• DDRxn == 1: dacă bitul n este 1 atunci pinul va funcționa ca și ieșire (microcontroller-ul va putea impune o tensiune electrică pe acel pin)

Registrul PORTx controlează valoarea pinilor din portul x care au fost configurați ca ieșiri:

• PORTxn == 0: dacă bitul n este 0 atunci pinul respectiv va lua valoarea LOW
• PORTxn == 1: dacă bitul n este 1 atunci pinul respectiv va lua valoarea HIGH

Din registrul PINx putem citi valoarea valoarea pinilor din portul x care au fost configurați ca intrări:

• PINxn == 0: dacă bitul n este 0 atunci pinul respectiv are valoarea LOW
• PINxn == 1: dacă bitul n este 1 atunci pinul respectiv are valoare HIGH

Figura precedentă descrie organizarea spațiului de adresă pentru ATTiny20.

De la 0x00 la 0x3F gasim I/O Space. Aici se află toate registrele de lucru cu periferice și, desigur, PORTA. În datasheet, la capitolul 22. Register Summary (pagina 203) putem vedea adresele tuturor registrelor I/O din controller (care nu sunt de uz general). Registrul PORTA are adresa 0x02 deci pentru a scrie/citi date în/din el trebuie să executăm o instrucțiune STS/LDS cu adresa de scriere/citire 0x02.

LDS R16, 0x40    ; se încarcă date din RAM de la adresa 0x40 în registrul R16
STS 0x02, R16    ; se stochează datele din registrul R16 la adresa 0x02, adică în registrul PORTA
LDS R16, 0x00    ; se încarcă date de la adresa 0x00, adică din registrul PINA

Pentru a lucra cu registrele din I/O Space putem folosi două instrucțiuni speciale: IN și OUT. IN este echivalent cu LDS, iar OUT este echivalent cu STS. Diferența este că, în vreme ce LDS/STS nu pot lucra decât cu registrele R16:R31, IN/OUT pot lucra cu toate cele 32 de registre. De asemenea, pe un core AVR adevărat, LDS/STS se execută în 2 cicli de ceas, iar IN/OUT într-unul singur. Astfel, codul precedent poate fi rescris:

LDS R16, 0x40
OUT 0x02, R16 ; valoarea din registrul ''R16'' ajunge la adresa 0x02 (registrul PORTA) - este scrisă la **ieșire**
IN R16, 0x00  ; valoarea de la adresa 0x00 (registrul PINA) este încărcată în ''R16'' - este citită de la **intrare**

Deoarece instrucțiunile IN și OUT nu pot scrie decât valori pe 8 biți. Spre exemplu, dacă dorim să schimbăm doar bitul 5 din DDRA în 1 atunci pașii pe care trebuie sa îi urmăm sunt:

LDI     R17, 0b00100000 ; încărcăm în R17 o mască ce are 1 pe bitul 5
IN      R16, DDRA       ; încărcăm în R16 valoarea din DDRA
OR      R16, R17        ; în urma operației sau între R16 și R17 în R16 bitul 5 va fi pus pe 1
OUT     DDRA, R16       ; stocăm valoarea din R16 înapoi în DDRA

Fiindcă acțiunea de a schimba un bit în 1 (set) sau în 0 (clear) este una întâlnită des în programele ce rulează pe arhitectura AVR aceasta include două instrucțiuni ce permit schimbarea unui bit dintr-un registru ce se află în primele 32 de adrese din I/O Space în 0 sau în 1: CBI (Clear Bit in Register) și SBI (Set Bit in Register). Ele primesc ca și argumente adresa registrului (în intervalul [0:31]) și numărul bitului (în intervalul [0:7]). Dacă rescriem codul folosind aceste înstrucțiuni el devine:

SBI DDRA, 5 ; mai scurt, nu?

while (1) {
    PORTA |=  (1 << 3);
    PORTA &= ~(1 << 3);
}

0x00:    LDI     R17, 0b00001000
0x01:    LDI     R18, 0b11110111
         ; PORTA |= (1 << 3)
0x02:    IN      R16, PORTA
0x03:    OR      R16, R17
0x04:    OUT     PORTA, R16
         ; PORTA &= ~(1 << 3)
0x05:    IN      R16, PORTA
0x06:    AND     R16, R18
0x07:    OUT     PORTA, R16
         # Jump back to 0x00
         # PC = PC + k + 1 => 0x00 = 0x08 + k + 1 => k = -0x09
0x08:    RJMP    -9

         ; PORTA |= (1 << 3)
0x00:    SBI     PORTA, 3
         ; PORTA &= ~(1 << 3)
0x01:    CBI     PORTA, 3
         ; jump back to 0x00
0x02:    RJMP    -3