Porturi de Intrare și Ieșire

1Obiectul și structura cursului6 min

Capitolul urmărește, pe rând, structura hardware a unui pin, registrele software care îl controlează, drumul semnalului dinspre exterior spre nucleu, problemele care apar pe acest drum și circuitele exterioare care se conectează în mod obișnuit la porturi. Microcontrolerul de referință rămâne ATmega328P, cu avantajul unei organizări deosebit de clare: trei registre pe port și o corespondență directă între bit și pin.

• Să distingeți DDRx, PORTx și PINx după rol, și să explicați de ce sunt necesare trei registre
• Să explicați cele patru regimuri electrice ale unui pin (DDRx/PORTx) și consecințele fiecăruia
• Să explicați metastabilitatea și rolul sincronizatorului cu două etaje
• Să dimensionați o rezistență de pull-up sau de limitare pentru un LED
• Să recunoașteți un conflict de funcție multiplă pe un pin, și să filtrați oscilațiile unui buton
• Să respectați limitele de curent pe pin, pe grup și totale ale ATmega328P

2Porturile de intrare-ieșire și portul digital10 min

Porturile de intrare și ieșire (I/O, de la input/output) sunt interfețele hardware prin care microcontrolerul comunică cu perifericele externe. Un port nu conține prelucrare de semnal propriu-zisă - e locul unde o valoare logică din memorie devine tensiune pe un fir, sau invers.

Un pin e considerat de I/O dacă sensul de transfer poate fi schimbat prin program, fără intervenție asupra circuitului fizic - trăsătura care îl deosebește de un pin cu funcție fixă (alimentare, reset). Pinii nu sunt tratați individual, ci grupați, de regulă câte opt, formând un port: opt biți înseamnă exact lățimea unui registru pe o mașină pe 8 biți, deci întregul port se citește sau se scrie printr-o singură instrucțiune. Pe ATmega328P există trei porturi - B, C, D - dar numărul de pini din foaia de catalog și numărul efectiv utilizabil pe o placă concretă nu coincid: portul B are doi pini ocupați de cuarțul de 16 MHz, portul C are ultimul pin ocupat de intrarea de reset.

Pragurile logice

Portul digital clasifică orice tensiune aplicată în una din două stări. Pentru un AVR alimentat la 5 V: orice tensiune sub 0,3·VCC (~1,5 V) e citită sigur ca 0 logic; orice tensiune peste 0,6·VCC (~3 V) e citită sigur ca 1 logic. Între cele două praguri rămâne o bandă interzisă, pentru care nimic nu e garantat - rezultatul poate diferi de la exemplar la exemplar sau de la o citire la alta.

3Arhitectura unui port: structura pinului și cele trei registre10 min

Comunicarea e bidirecțională, iar bidirecționalitatea trebuie construită în hardware. Fiecare pin conține un buffer de ieșire (impune tensiune), un buffer de intrare (citește tensiunea fără s-o modifice) și o linie de activare (decide care buffer e conectat efectiv) - comandată de un bit dintr-un registru de configurare. Când bufferul de ieșire e dezactivat, pinul trece în înaltă impedanță (HiZ), aproape ca un fir întrerupt.

Cele cinci blocuri ale unui pin

Bistabilele de configurare (direcție + valoare de ieșire, memorie statică). Etajul de ieșire în contratimp (push-pull): două tranzistoare complementare, niciodată conducând simultan - sus dă curent (source), jos absoarbe curent (sink). Rezistența de pull-up comutabilă (20-50 kΩ la AVR). Diodele de protecție (spre VCC și spre masă, blocate în funcționare normală). Lanțul de intrare (trigger Schmitt + sincronizator, discutat separat).

Cele trei registre ale unui port

Pentru portul B: DDRB, PORTB, PINB (analog pentru C, D).

4Configurarea porturilor: prin registre și prin Arduino12 min

Configurarea direcției e primul lucru care se face într-un program de microcontroler, înainte de bucla principală - de ea depinde tot restul, inclusiv integritatea electrică a montajului (o direcție greșită poate pune față în față două surse de tensiune).

#include <avr/io.h>

int main(void)
{
    DDRB |= (1 << PB5);             /* PB5: LED, iesire */
    DDRD &= ~(1 << PD2);            /* PD2: buton, intrare */
    PORTD |= (1 << PD2);            /* pull-up intern activat */

    while (1) {
        if ((PIND & (1 << PD2)) == 0) {   /* apasat = leaga la masa */
            PORTB |= (1 << PB5);
        } else {
            PORTB &= ~(1 << PB5);
        }
    }
}

Configurarea prin funcțiile Arduino

const int LED = 13, BUTON = 2;
void setup() {
    pinMode(LED, OUTPUT);
    pinMode(BUTON, INPUT_PULLUP);
}
void loop() {
    digitalWrite(LED, digitalRead(BUTON) == LOW ? HIGH : LOW);
}

INPUT_PULLUP face, într-un singur apel, exact ce făceau cele două linii cu DDRx și PORTx. PORTB |= (1<<PB5) se compilează într-o singură instrucțiune, un ciclu. digitalWrite traduce numărul de pin în port+bit prin două tabele din Flash, verifică și oprește un eventual canal PWM activ, dezactivează și reactivează întreruperile - zeci de cicluri. Pentru un LED comandat de buton, diferența e irelevantă; pentru un front precis sau o întrerupere care trebuie să se termine repede, devine hotărâtoare.

5Transferul de date: eșantionarea semnalului9 min

Tensiunea aplicată pe pin nu ajunge instantaneu la program - drumul e tăiat în felii de ceasul sistemului. Un bistabil de tip latch, comandat de ceas, reține valoarea de pe pin o singură dată pe ciclu, la un front bine precizat. Consecința: starea pinului nu e citită continuu, ci eșantionată - programul vede ultima fotografie făcută pinului.

6Metastabilitatea9 min

Metastabilitatea e o stare instabilă în care ieșirea unui bistabil se află într-o zonă de tranziție între cele două niveluri logice, fără a fi nici 0, nici 1, pentru o durată imprevizibilă. Se produce atunci când semnalul de intrare se schimbă chiar în momentul eșantionării.

Bistabilul ajunge acolo dacă, la frontul de ceas, tensiunea de intrare nu e destul de departe de pragul de comutare - condiția e exprimată de foile de catalog prin timpul de stabilizare (setup time) și timpul de menținere (hold time) din jurul frontului.

Cauzele: lipsa de corelație între semnalul extern și ceasul intern (un buton apăsat de un om nu respectă nicio regulă de sincronizare cu ceasul de 16 MHz) și fronturile lente (un semnal care parcurge un cablu lung petrece mult timp în zona intermediară, mărind direct probabilitatea de eșantionare acolo).

7Circuitul sincronizator8 min

Soluția pentru caracterul asincron al semnalelor externe e sincronizatorul: nu elimină metastabilitatea, ci îi acordă timp să se stingă înainte ca valoarea să ajungă la program. Se pun două bistabile în serie, comandate de același ceas, iar valoarea folosită mai departe e cea de la ieșirea celui de-al doilea.

Ce nu garantează sincronizatorul e care valoare va fi propagată dacă schimbarea a picat exact pe front - veche sau nouă, ceea ce înseamnă doar că tranziția a fost văzută cu un ciclu mai devreme sau mai târziu, aproape întotdeauna acceptabil. Ce garantează e că programul nu va vedea niciodată o valoare care nu e nici 0, nici 1.

Întârzierea totală la intrare: d_in = d_latch + d_sinc, unde d_sinc e numărul de cicluri de propagare prin sincronizator. Cu cât acesta are mai multe etaje, cu atât scade probabilitatea de eroare, dar crește d_sinc - două etaje sunt compromisul obișnuit pentru microcontrolerele uzuale; sistemele foarte rapide sau critice pentru siguranță pot folosi trei sau mai multe.

8Rezistențele de pull-up și de pull-down10 min

O intrare digitală neconectată la nicio sursă de semnal definită se află în înaltă impedanță (HiZ) - contraintuitiv pentru un începător, pentru care „un fir nelegat e la zero". Nu este: intrarea CMOS are o rezistență de ordinul sutelor de megaohmi, iar potențialul unui pin lăsat în aer e stabilit de orice altceva din jur (cuplaj capacitiv, rețeaua de 50 Hz, sarcina electrostatică a unei mâini apropiate) - citirile par aleatorii.

Rezolvarea e o rezistență de pull-up (între linie și VCC, fixează repausul la 1 logic) sau de pull-down (între linie și masă, fixează repausul la 0 logic). Montajul cu pull-up și buton la masă e cel mai comun, producând logica negativă: repaus = 1, apăsat = 0 - preferat pentru că AVR-ul are pull-up intern, dar nu pull-down intern, iar traseul de masă e de obicei mai ușor de distribuit pe placă decât cel de alimentare.

9Pinii cu funcții multiple7 min

Numărul de picioare ale unei capsule e limitat, în timp ce numărul de periferice pe un cip crește continuu - rezolvarea e multiplexarea funcțiilor: același pin poate fi folosit, în momente diferite, de periferice diferite. În modul obișnuit, ca pin digital simplu, se numește GPIO (general purpose input/output).

Configurarea acestor funcții nu se face din registrele portului, ci din SFR-urile perifericului respectiv (ex. UCSR0B pentru UART, SPCR pentru SPI). Cât timp o funcție alternativă e activă, pinul nu mai poate funcționa ca GPIO - scrierile în PORTx nu mai au efect, citirile din PINx pot să nu mai reflecte ce se așteaptă.

10Protecția pinilor digitali12 min

Pinii sunt puncte de contact între o structură de siliciu de câțiva nanometri și o lume exterioară plină de tensiuni parazite. Producătorii prevăd protecții interne, dar cu limite bine definite - depășirea lor distruge cipul.

Protecțiile interne

ESD (descărcări electrostatice): diodele de la fiecare pin spre VCC și masă deviază impulsul - protecție pentru evenimente scurte și rare, nu pentru supratensiune permanentă. Supratensiune: aceleași diode, în regim de clamping - funcționează doar dacă prin diodă circulă un curent mic (miliamperi); depășirea distruge dioda și poate ridica întreaga alimentare a cipului.

Curentul maxim - trei limite simultane

11Circuitele conexe: butoane, relee, LED-uri, optocuploare10 min

Porturile se conectează rareori direct la ceea ce trebuie citit sau comandat - între ele se interpun circuite care adaptează niveluri, izolează, filtrează sau amplifică.

Butoane și comutatoare: oscilația de contact

Contactele metalice nu se lipesc instantaneu - la închidere ricoșează elastic, ating și se despart de mai multe ori înainte de a rămâne în contact ferm (bouncing). Pentru un microcontroler care citește pinul de un milion de ori pe secundă, o singură apăsare devine o rafală de zeci de tranziții.

if (citire != stareAnterioara) ultimaSchimbare = millis();
if ((millis() - ultimaSchimbare) > INTERVAL) {
    if (citire != stareStabila) {
        stareStabila = citire;
        /* aici se trateaza apasarea, o singura data */
    }
}
stareAnterioara = citire;

Relee

Un releu nu se comandă niciodată direct de la un pin: bobina consumă 30-100 mA (peste maximul absolut al unui pin), iar la întreruperea curentului, energia stocată în câmpul magnetic produce un vârf de tensiune inversă de sute de volți.

LED-uri, afișoare multiplexate, optocuploare

Legarea mai multor LED-uri în paralel pe aceeași rezistență e o eroare: LED-urile nu au exact aceeași V_F, cel cu V_F mai mic preia disproporționat din curent, se încălzește, îi scade și mai mult V_F - proces care duce la distrugerea lui. Fiecare LED cere rezistență proprie.

La afișoare cu mai multe cifre, segmentele omoloage sunt legate împreună, catozii comuni comandați individual - programul ciclează suficient de repede (peste ~50 Hz/cifră) încât persistența retiniană să vadă toate cifrele aprinse simultan. Prețul: luminozitatea medie scade proporțional cu numărul de cifre, compensat prin creșterea curentului instantaneu peste valoarea continuă admisă.

Optocuplorul (LED + fototranzistor izolate optic) se folosește pentru izolare galvanică - protejează microcontrolerul de tensiuni periculoase din partea de putere și rupe buclele de masă. Pe partea de intrare se tratează ca un LED obișnuit; pe partea de ieșire, fototranzistorul se comportă ca un comutator spre masă, folosit natural cu un pull-up, la fel ca un buton.

12Erori frecvente4 min

• „Citesc starea unui buton din PORTD, e mai simplu." Fals - PORTD conține ce a scris programul (comanda sau bitul de pull-up), nu starea reală de pe pin. Programul va raporta imperturbabil ce a scris el acolo, indiferent ce face butonul. Orice citire a unei intrări se face din PINx, niciodată din PORTx.
• „Un pin nefolosit, lăsat nelegat, nu deranjează cu nimic." Fals - un pin flotant are un potențial nedefinit, stabilit de zgomotul din jur, cu citiri aparent aleatorii și consum suplimentar prin conducția parțială a ambelor tranzistoare de intrare. Configurați explicit orice pin nefolosit ca intrare cu pull-up, sau ca ieșire pe o valoare fixă.
• „Un releu se comandă direct de la un pin, ca un LED." Fals de două ori - bobina depășește curentul maxim pe pin, iar la întrerupere generează un vârf de tensiune inversă de sute de volți, care poate distruge tranzistorul de comandă și ajunge, prin diodele de protecție, la alimentarea microcontrolerului. Folosiți întotdeauna un tranzistor de comutație plus o diodă de recuperare în paralel cu bobina.

13Rezumat și glosar5 min

Un port grupează opt pini pentru a permite accesul printr-o singură instrucțiune. Fiecare pin are trei registre - DDRx pentru direcție, PORTx pentru comandă (sau pull-up, pe intrare), PINx pentru starea reală - și le distinge un rol logic independent: nu se pot contopi în unul singur fără a pierde informație. Semnalul de intrare e eșantionat, nu citit continuu, ceea ce introduce o mică întârziere și poate pierde impulsuri mai scurte decât un ciclu de ceas. Eșantionarea unui semnal asincron chiar pe front poate produce metastabilitate - rezolvată nu prin eliminare, ci prin sincronizator cu două etaje, care o face improbabilă. Un pin flotant e nedefinit, nu zero; o rezistență de pull-up sau pull-down îi dă o stare de repaus. Multiplexarea funcțiilor confiscă un pin de la rolul de GPIO cât timp perifericul asociat e activ. Limitele de curent - pe pin, pe grup, totale - nu sunt negociabile, iar orice sarcină care depășește câțiva miliamperi cere un element intermediar de putere.

14Întrebări de verificare7 min

1. Explicați de ce un port AVR are nevoie de trei registre distincte și descrieți o situație în care valoarea din PORTx diferă de cea citită din PINx pentru același pin.
2. Un pin are DDRD bitul 4 pe 0 și PORTD bitul 4 pe 1. În ce regim se află, ce nivel se citește în repaus, și ce se întâmplă dacă un contact exterior îl leagă la masă?
3. De ce citirea unui pin e întârziată față de schimbarea fizică a tensiunii, și cât durează această întârziere pe un ATmega328P la 16 MHz?
4. Ce e metastabilitatea, prin ce mecanism intern se explică, și de ce nu poate fi eliminată complet, doar făcută improbabilă?
5. Comparați rolul triggerului Schmitt cu rolul sincronizatorului cu două etaje - care cauză a metastabilității rezolvă fiecare?
6. Enumerați trei situații în care pull-up-ul intern al AVR-ului nu e suficient și explicați de ce, pentru fiecare.
7. Un LED verde (V_F=2,1 V) trebuie alimentat la 12 mA de la un pin la 5 V. Calculați rezistența de limitare, alegeți valoarea standard și determinați puterea disipată.

15Direcții de aprofundare2 min

Cursul următor trece de la interogarea manuală a unui pin la mecanismul hardware care rezolvă exact problema impulsurilor scurte ratate: sistemul de întreruperi - vectori, priorități, latență și capcanele scrierii unei rutine de tratare corecte.

Registrele, exemplele de configurare și montajele din acest curs devin montaj real în Laboratorul 02.