用寄存器点亮 LED 灯：新手必学IO的几种模式

嵌入式专栏

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来源 | 瑞萨嵌入式小百科
现在学习单片机有很多工具（比如：e2 studio），可以一键生成（底层驱动的）软件工程，包括像UART、I2C等各种单片机外设的底层驱动。
然后，网上很多人就发言：学单片机没必要学寄存器。
作为一个单片机十多年开发的过来人，想说一下：寄存器的单片机的灵活，不管是初学者，还是已经工作的工程师，寄存器是学单片机必不可少的一步。
不管是对你深入理解底层，还是将来项目找bug，掌握了寄存器的一些技能，能让你开发、找bug有事半功倍的效果。
这里分享一下前不久推送的一篇文章：学单片机，有必要寄存器吗？



这里结合瑞萨RA6M5系列单片机（野火启明6M5开发板）为大家分享一下IO口的几种模式，以及用寄存器点亮LED。

一般而言，点灯例程就像是刚学习C语言那时的“Hello World”程序那样，是简单入门一块单片机开发板的经典例程。C语言的“Hello World”程序使用printf函数来打印“Hello World！”字符串，而我们学习这块开发板的第一个例程的内容却不是打印“Hello World！”字符串，而是首先要学会控制芯片的引脚。

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IO端口简介
芯片的引脚可以被粗略地分为IO引脚和非IO引脚。非IO引脚就是电源引脚、晶振引脚等的那些引脚，他们不具备GPIO（通用输入输出）功能。而IO引脚是那些具备GPIO功能的引脚，他们可以配置为各种模式、实现各种通用功能。

IO引脚最基本的输出功能是输出高、低电平，实现开关控制（比如开关LED灯、继电器或三极管等）；最基本的输入功能是检测外部输入电平（比如通过引脚电平的高低区分按键是否被按下）。

IO引脚还可以用来连接外部设备，与外部设备进行通讯，发送控制指令，采集传感器数据等等。

IOPORT即I/O Port，在代码里面为了方便而写成“IOPORT”，表示输入输出端口。IOPORT是RA MCU的一个外设模块，它用来控制芯片的引脚，对每一个引脚进行详细的配置。具体地说，IOPORT 可以对引脚进行以下几个方面的配置：

配置引脚为普通IO功能，即输入或输出高电平或者低电平。
控制引脚的输入上拉电阻。
控制引脚的驱动能力。
控制引脚是否检测上升沿/下降沿/双边沿。
控制引脚是否作为中断输入引脚。
配置引脚为模拟输入功能或者将引脚在内部连接到其他外设模块。

瑞萨RA系列芯片的IO端口从理论上被分成16个组（0~9，A，B，C，D，E，F），每组有16个引脚（0~15）。然而，实际情况并非是完整的“16个组+每组16个引脚”的配置，而是因实际的芯片型号而异。以野火启明6M5板子上的R7FA6M5BH3CFC芯片为例，它是LQFP 176-pin封装，一共有176个引脚，其中的大部分引脚都是可以被IOPORT模块控制的IO引脚。而这些IO引脚被分成了0~9，A，B共11组引脚（注：A，B是10，11的十六进制表示），每组一般有16个引脚（引脚号为0~15），实际上有些组不到16个引脚。对于引脚数比较少的封装（LQFP 144-pin和LQFP 100-pin封装）来说，芯片的可用IO引脚数也会相对减少。

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IO端口寄存器
RA6M5、RA4M2、RA2L1这三者的IOPORT模块框图结构是基本一致的。

以RA6M5为例，下图是RA6M5的外设IOPORT的功能结构框图，标有字母A处表示的是芯片实际引出 IO引脚。

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接下来我们对IOPORT外设的结构框图进行分析，将不难得出IOPORT有如下几种工作模式：

通用输入输出（GPIO）模式
输入模式（浮空/上拉）
输出模式（推挽/开漏）
模拟输入功能模式
复用功能模式

2.1
IO端口方向
见图中标注①处。

PDR（Port Direction Register）是端口方向寄存器，它控制端口的GPIO方向。当IO引脚需要控制输出高电平或者低电平时，可设置引脚的GPIO方向为GPIO输出；而当需要读取IO引脚的电平时，可设置引脚的GPIO方向为GPIO输入。

2.2
IO输入上拉控制
见图中标注②处。

PCR（Pull-up Control Register）是上拉控制寄存器，它控制IO引脚的GPIO输入是否使能上拉。当设置为允许上拉时，实际上会使得图中字母B处的弱上拉电阻连接到VCC电源正极，从而使得引脚处于弱上拉输入模式。需要注意的是，当引脚的GPIO方向被配置为“输入”时，才可以设置使用弱上拉电阻。从上图还可以看出，RA6M5的IO端口是没有下拉电阻的。

2.3
IO驱动能力和开漏输出控制
见图中标注③处。

DSCR（Port Drive Capability Register）是端口驱动能力寄存器，它控制IO引脚的驱动能力。驱动能
力指的是IO驱动的电流强度和IO的最大翻转速率。

NCODR（N-Channel Open-Drain Control Register）是开漏输出控制寄存器，它控制IO引脚是否使能开漏模式。当引脚的GPIO方向被配置为“输出”时，可以配置IO引脚输出的模式是推挽输出还是使能开漏输出。

2.4
IO端口输出数据
见图中标注④处。

这部分看似比较复杂，但是实际上EOSR、POSR、PORR、EORR的箭头最终都指向PODR，这意味着操作EOSR、POSR、PORR、EORR这些寄存器，实际上将最终操作的是PODR寄存器。

图中PODR（Port Output Data Regist）是端口输出数据寄存器，它控制GPIO引脚输出的电平。当引脚的GPIO方向被配置为“输出”时，可以配置引脚输出高电平或者低电平。
图中EOSR（Event Output Set Register）是事件输出置位寄存器（该寄存器我们暂且忽略它）。
图中POSR（Pmn Output Set Register）是端口输出数据寄存器，它控制GPIO引脚输出为高电平，但却不能控制输出低电平。
图中PORR（Pmn Output Reset Register）是端口输出数据寄存器，它控制GPIO引脚输出为低电平，但却不能控制输出高电平。
图中EORR（Event Output Reset Register）是事件输出复位寄存器（该寄存器我们暂且忽略它）。

2.5
IO端口输入数据
见图中标注⑤处。

PIDR（Port Input Data Register）是端口输入数据寄存器，可以通过它读取GPIO引脚的电平状态。
当引脚的GPIO方向被配置为“输入”时，程序可以读出输入引脚的电平是高电平还是低电平。

2.6
模拟输入模式
见图中标注⑥处。

ASEL（Analog Input Enable）是模拟输入选择控制位，可以通过它来将引脚配置为模拟输入模式。

当使用ADC功能时，需将引脚配置为模拟输入模式。

2.7
端口模式控制和外设复用选择
见图中标注⑦处。

PMR（Port Mode Control）是端口模式控制位，可以通过它来将引脚配置为GPIO输入/输出模式，
或者配置作为复用外设功能引脚。

PSEL（Peripheral Select）是外设复用选择，可以通过它来选择将引脚连接到某一个外设功能上。

2.8
IO边沿检测与中断
见图中标注⑧处。

EOFR（Event on Falling/Event on Rising）是事件触发选择，可以通过它来让引脚检测边沿信号，如果检测到指定信号将触发一个事件。

ISEL（IRQ Input Enable）是IRQ输入使能控制位，可以配置是否产生中断。

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用寄存器点亮 LED 灯
上面已经讲述的IO端口的几种模式，这里结合e2 studio开发工具给大奖描述一下用寄存器点亮 LED 灯的方法。

首先，用e2 studio开发工具创建一个基础的工程，具体可以参看文章：瑞萨RA8系列教程 | 基于 e2 studio 创建RA8工程。

然后，我们在工程中添加寄存器控制IO（灯）的代码，这里直接附上代码：

po33mubft4464055536653.png

前面部分对IO端口进行配置，后面只需要一行寄存器代码即可控制IO（LED灯）翻转：

R_PORT4->PODR ^= 10xFF);看到这里，是不是觉得很简单？



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