Chapter 3

註: 本文為中文翻譯，原文請見底下網址:

http://www.mikroe.com/eng/chapters/view/4/chapter-3-i-o-ports/

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Chapter 3: I/O Ports

特性與功能

微控制器其中一個重要的特性是用來跟周邊連線的 input/output 腳位。在目前的情況下，PIC16F887 一共有 35 支 GPIO 腳位 (general purpose I/O pins)，對大多數的應用來說是相當足夠的。

類似暫存器，為了讓 I/O 腳位的運作可以配合內部 8 位元的組織，所有腳位分成 A, B, C, D 和 E 等 5 個群組。它們都有一些共同的特點：

● 出於實際的理由，許多 I/O 腳位有 2 到 3 種功能。如果某個腳位用作其它的功能，它可能就不能當作 GPIO 使用，而且

● 每個 port 都有它的 "衛星 (satellite)"，亦即對應的 TRIS 暫存器: TRISA, TRISB, TRISC 等，這些 "衛星" (TRISx) 決定 port 的演出/角色 (performance) 而不是 port 的內容。

透過清除 TRIS 暫存器的某個位元 (bit = 0)，對應的 port 腳位會被設置成輸出。同樣的，透過設定 TRIS 暫存器某個位元 (bit = 1)，對應的 port 腳位會被設置成輸入。這個規則很容易記憶: 0 等於 Output，1 等於Input。

譯註: 如果沒有特別的聲明，本書提到的「設定某個位元」指的將是「把某個位元設定為  1」，而「清除某個位元」指的將是「把某個位元清除為  0」

Fig. 3-1 I/O Ports

Port A 與 TRISA 暫存器

Port A 是一個 8 位元寬雙向的 port。TRISA 和 ANSEL 暫存器控制 Port A 的腳位。Port A 所有腳位均可當作 digital inputs/outputs 使用，其中 5 支腳位也可以當作 analog inputs 使用 (以 AN 表示)。

Fig. 3-2 Port A and TRISA Register

類似用來決定哪些腳位為 inputs 哪些為 outputs 的 TRISA 暫存器，ANSEL 暫存器恰當的位元決定 port A 哪些腳位當作 analog inputs 或 digital inputs/outputs。

● RA0 = AN0（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS0 位元）;

● RA1 = AN1（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS1 位元）;

● RA2 = AN2（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS2 位元）;

● RA3 = AN3（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS3 位元）; 及

● RA5 = AN4（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS4 位元）;

這個 port 的每個腳位都有一個與內建周邊設備有關的附加功能。這些附加功能將在後面的章節描述。本章只涵蓋 RA0 腳位的附加功能，因為它只與 Port A 有關。

ULPWU 單元 (Ultra Low Power Wake-up Unit)

微控制器常用於必須定期運作而且仰賴電池完全獨立的設備，在這種情況下，最小功率消耗是其中一個優先考慮的事情。典型的應用為：溫度計 (thermometers)，火警偵測器和類似的應用。降低振盪頻率 (clock frequency) 是一個減少功率消耗的方法，對於這個問題，一個最方便的辦法是讓時脈慢下來 (使用 32 KHz 的石英晶體，而非 20 MHz）。

將微控制器設置為睡眠模式是減少功率消耗的另一步。然而，即使同時採用了兩項措拖，另一個問題也會隨之浮現：要如何喚醒微控制器並且把它設置為正常模式。顯然需要有一個外部訊號在某些腳位上產生狀態變化。因此，問題仍然存在。這個訊號必須由額外的電子產生，而該者卻會導致整個設備產生高功率的消耗。

理想的解決方法是由微控制本身定期喚醒自己，這不是完全不可能的。這個電路顯示在右圖 (Fig. 3-3 ULPWU Unit)。

 

運作原理很簡單：

某個腳位會被設置為 output 並且給它邏輯 1 的狀態。這會導致電容充電。在這之後，同個腳位緊接著設置為 input。腳位的邏輯狀態變化啟用了中斷，而微控制接著設定成睡眠模式 (Sleep mode)。之後，除了等待電容通過輸入腳位放電外沒有什麼別的事要做。當放電導致腳位轉換狀態時，會產生一個中斷，而微控制器會繼續在正常模式下執行程式。整個過程就這樣一直重複...

理論上這是一個完美的解決方案。問題是，能以這種方式產生中斷的所有腳位都是數位腳位，而且當其電壓不趨近 Vdd (1) 或 Vss (0) 的限制值時，它們的放電電流相對地大。在這種情況下，電容放電的時間很短，因為電流高達數百 micro 安培 (microamperes)。這就是為什麼要設計能夠讓電壓下降速度放慢的超低功耗 ULPWU 電路。ULPWU 的輸出會產生中斷，而它的輸入則連接到微控制器的一支腳位，即 RA0 這支腳位。參考右圖 (R=200 歐姆而 c = 1nF)，放電時間約為 30 毫秒，而微控制器的總耗電量為 1000 倍慢 (幾百個 nano 安培)。

 

Port B 與 TRISB 暫存器

Port B 是一個 8 位元寬雙向的 port。TRISB 暫存器決定 port B 的腳位功能。

Fig. 3-5 Port B and TRISB register

類似 Port A，在 TRISB 暫存器一個邏輯 1 會把 port B 恰當的腳位設為 input，反之亦然。這個 port 有 6 支腳位可以當作 analog inputs (AN)。ANSEL 暫存器決定這些腳位為 analog inputs 或是 digital inputs/outputs:

● RB0 = AN12（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS12 位元）;

● RB1 = AN10（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS10 位元）;

● RB2 = AN8（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS8 位元）;

● RB3 = AN9（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS9 位元）;

● RB4 = AN11（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS11 位元）; 及

● RB5 = AN13（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS13 位元）

Port B 的每支腳位都有一個與內建周邊設備有關的附加功能，這將在後面的章節解釋。

● Port B 所有腳位都內建提升電阻 (pull up resistor)，這使得它們非常適合連接按鈕 (push-buttons)、開關 (switches) 和光耦合器 (optocouplers)。為了讓這些電阻連接到微控制器的 ports，必須設定好 WPUB 暫存器對應的位元 (Weak Pull-Up port B register)。[1]

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[1] 除了 WPUB 暫存器，還有個位元影響 pull-up resistors 的配置，那便是 OPTION_REG 暫存器的 RBPU (Port B Pull-Up enable bit) 位元。這個元位是一般用途的位元，因為它影響 Port B 所有 pull-up resistors 的配置。

Fig. 3-6 WPUB register

因為是高阻抗 (幾千歐姆)，當腳位設置為 output 時，這些 "虛擬的 (virtual)" 的電阻不會有什麼影響，但是當腳位設置為 input 時，這些電阻會配合腳位，相得益彰。因此，它們連接到 CMOS 邏輯電路的輸入。否則的話，因為高輸入阻抗的關係，它們將處於浮接狀態 (floating)。

Fig. 3-7 Pull-up resistors

● 如果 pull-up resistor 有啟用，Port B 每個設置為 input 的腳位可在邏輯狀態改變時引發中斷。為了啟用腳位引發中斷，必須設定 IOCB 暫存器恰當的位元。

Fig. 3-8 IOCB register

由於有這些功能，port B 的腳位通常用於檢查 keyboard 上的按鈕 (push-buttons)，因為它們會準確無誤地登記任何按按鈕的事件 (button press)。因此，就不需要投入所有時間 "掃瞄" 這些腳位。

Fig. 3-9 Keyboard Example

當 X, Y 和 Z 腳位設置為 output 且狀態為邏輯 1 時，只需要在任何按按鈕 (button press) 事件到達後等待中斷請求即可。透過在這些 output 上設定 0 和 1，便可以檢查哪個按鈕被按下。

Pin RB0/INT

RB0/INT 是一個真正的外部中斷來源腳位。它可以設置成對上升緣 (raising edge, 0 到 1 的轉變) 或對下降緣 (falling edge, 1 到 0 的轉變)的訊號做出反應。OPTION_REG 暫存器的 INTEDG 位元用來選擇上升緣或下降緣訊號。

RB6 與 RB7 腳位

你可能已經注意到，PIC16F887 微控制器沒有任何供燒錄程式 (寫 program 到 ROM 中) 的特殊腳位。其實 PIC16F887 有燒錄腳位，只不過在正常情況下是當作 GPIO 使用 (燒錄程式的時候，Port B 的 RB6 是clock，而 RB7 則是 data transfer)。此外，也有必要提供電壓源 Vdd (5V) 和 Vss (0V) 和燒錄 FLASH 記憶體的電壓 Vpp (12-14V)。在燒錄過程中，Vpp 的電壓供應給 MCLR 腳位。關於這個過程的所有細節，以及這些電壓中哪個比較先供應，這已經離題了，燒錄工具 (programmer) 會負責處理。重點是程式可以載入到微控制器，即便微控制器已經焊接到目標設備上。正常情況下，已經載入的程式也可以以同樣的方式更改。這個功能稱為 ICSP(In-Circuit Serial Programming)。得提前計劃使用它。

這並不複雜！只需要安置一個 4-pin 的 connector 到目標設備上，以便供應必要的燒錄電壓給微控制器。為了讓這些電壓不會干擾其他電子設備，得設計一些電路切斷這些干擾（使用電阻或 jumpers）。

 

 

 

這些電壓會供應到微控制器安置的 socket pins 上。

 

 

 

 

 

Port C 與 TRISC 暫存器

Port C 是一個 8 位元寬雙向的 Port。TRISC 暫存器決定 port C 的腳位功能。類似其它 ports，TRISC 暫存器裏一個邏輯 1 設置恰當的腳位為 input。

Fig. 3-12 Port C and TRISC Register

這個 port 的所有附加功能將於稍後解釋。

Port D 與 TRISD 暫存器

Port D 是一個 8 位元寬雙向的 Port。TRISD 暫存器決定 port D 的腳位功能。TRISD 暫存器裏一個邏輯 1 設置恰當的腳位為 input。

Fig. 3-13 Port D and TRISD Register

Port E 與 TRISE 暫存器

Port E 是一個 4 位元寬雙向的 Port。TRISE 暫存器決定 port E 的腳位功能。類似其它的 port，TRISE 暫存器裏一個邏輯 1 設置恰當的腳位為 input。RE3 是個例外，它只能當 input 用而且其 TRIS 位元永遠為 1。

類似 port A 與 B，在這種情況下 port E 的 3 支腳位可設置為 analog input。ANSELH 暫存器決定腳位是作 analog input (AN) 或 digital inputs/outputs 之用：

● RE0 = AN5（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS5 位元）;

● RE1 = AN6（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS6 位元）; 及

● RE2 = AN7（取決於 ANSEL 暫存器的 ANS7 位元）。

ANSEL 與 ANSELH 暫存器

ANSEL 和 ANSEL 暫存器用於設置 I/O 腳位的模式，以決定作為 analog input 或 digital inputs/outputs。

Fig. 3-15 ANSEL and ANSELH Registers

使用規則為：

要把某個腳位設置為 analog input，ANSEL 或 ANSELH 暫存器恰當的位元必須設定為 1。要把腳位設置為 digital inputs/outputs，恰當的位元必須清除為 0。

ANSEL 暫存器的狀態對 digital output 的功能沒有影響。任何企圖對設置為 analog input 腳位的讀取動作，結果將得到 0。

Fig. 3-16 ANSEL and ANSELH Configuration

 

簡單的說：

即便充分學習了這些 Ports 的全部知識，你可能也不會去寫一支完全高效率利用這些 ports 的程式。不過，這些 Ports 可能是微控制器裏最簡單的模組。底下是它們的使用方法：

● 在設計一個設備的時候，挑選微控制器與周邊設備通訊的 port。如果你只打算使用 digital inputs/outputs，想用哪個 port 任君選擇。如果你打算使用 analog inputs，那麼就選擇支援 analog inputs（AN0 - AN13）的適當的 port ;

● 每支腳位均可設置為 input 或 output。TRISA, TRISB, TRISC, TRISD 和 TRISE 暫存器決定 PORTA, PORTB, PORTC, PORTD, PORTE 的行為 ;

● 如果你使用一些 analog inputs。在程式前頭設置好 ANSEL 與 ANSELH 適當的位元;

● 如果你使用開關 (switches) 和按鈕 (push butons) 作為輸入訊號源，把它們連接到 port B 的腳位，因為它們有提升電阻 (pull-up resistors)。這些電阻的啟用由 OPTION_REG 暫存器的 RBPU 位元決定，而個別電阻的啟用則是由 WPUB 暫存器決定；及

● 當腳位狀態有所變化的時，通常需要盡快做出反應。然而，倒是不需要為了會改變狀態的腳位特別撰寫程式。只要把這類輸入連接到 PORTB 的腳位，然後啟用電壓轉態的中斷，這麼一來就簡單多了。 IOCB 和 INTCON 暫存器負責這些事。