Direkte Port-Manipulation beim Arduino

Die hier beschriebenen Techniken wurden nur auf dem Arduino Uno bzw. einem kompatiblem Board getestet und funktionieren vermutlich auf anderen Boards etwas anders!

Anstatt digitalWrite() / digitalRead() zu verwenden, können die Pins des Arduinos auch auf eine direkte Art angesprochen werden.

Vor- und Nachteile

Vorteile

• Der direkte Zugriff ermöglich es, viel höhere Taktraten zu erreichen (ca. 1MHz mit Portmanipulation im Gegensatz zu ca. 15 kHz mit digitalWrite()
• Zugriff auf mehrere Pin zu selben Zeit (während digitalWrite() einige Mikrosekunden benötigt, um ausgeführt zu werden)
• Es kann auch Speicherplatz gespart werden
• Einige Anwendungen können dadurch sogar eleganter gelöst werden (s.u.)

Nachteile

• Der Code ist schwerer lesbar und schwieriger zu debuggen.
• Der Code ist weniger portable als unter Verwendung von digitalRead() / digitalWrite().
• Es können leichter Fehlfunktionen programmiert werden, z.B. wenn der Pin 0 als OUTPUT konfiguriert wurden, können keine Daten mehr über die seriellen Schnittstelle empfangen werden!

Funktionsweise

Ports

Es gibt drei sogenannte "Ports", die wir manipulieren können. Dies sind quasi Gruppen von Pins, die als Ganzes angesteuert werden.

• Port D – zur Ansteuerung der digitalen Pins 0 bis 7
• Port B – zur Ansteuerung der digitalen Pins 8 bis 13
• Port C – zur Ansteuerung der analogen Pins 0 bis 5

Register

Jeder dieser Ports kann über drei Register angesteuert werden (x ist jeweils der entsprechende Port, d.h. C, B oder D):

• DDRx - "Data Direction Register": Legt die Richtung der Daten fest, d.h. entweder lesen oder schreiben
• PORTx - "Port Data Register": liest bzw. schreibt Daten vom bzw. zum Port
• PINx - "Port Input Pins Register" liegt Daten vom Port

So kann man z.B. Pin 1-7 auf OUTPUT setzen und Pin 0 auf INPUT, indem man in setup() folgende Zeile definiert:
DDRD = B11111110;
Allerdings sollte man sicherheitshalber die Definition folgendermaßen ausführen, um die Werte von Pin 0 (RX) und 1 (TX) nicht zu verändern: DDRD = DDRD | B11111100;

Verwendete Bauteile

• Grundlegende Werkzeuge und Hilfsmittel
• Arduino UNO (oder kompatibles Board)
• 4x LED (hier: 5mm, rot)
• 4x 1kΩ Widerstand
• Steckkabel ("Jumperkabel")
• Steckbrett ("Breadboard")

Versuch I.

Das folgende Beispiel setzt den Port B zunächst im setup() auf den Modus OUTPUT und legt dann an den Pins 2 und 4 abwechselnd HIGH und LOW an. Dazwischen liegt eine Verzögerungszeit von 1 Sekunde.

void setup()
{
    DDRD = B11111111; // set PORTD to output
}

void loop()
{
    PORTD = B00010000; // set Pin 4 to HIGH all other to LOW
    delay(1000);

    PORTD = B00000100; // set Pin 2 to HIGH all other to LOW
    delay(1000);
}

Versuch II.: Binärzähler

Dieses Beispiel zeigt die recht elegante Lösung für einen Binärzähler. Im Sketch kann man sehen, dass auch Dezimalzahlen an das Portregister übergeben werden können. So kann man leicht in einer Schleife den Iterator hochzählen und die "Bits" fallen dann sozusagen von alleine ab.

void setup()
{
    DDRD = B00001111; // set PORTD (digital 0..3) to output
}

void loop()
{
    for(byte i=0; i<16; i++) {
        PORTD = i;
        delay(250);
    }
}

Versuch III.: Input

Im dritten Experiment wird der Port-B als Eingang konfiguriert und dessen Werte an die serielle Konsole weitergegeben.

void setup()
{
    DDRB = B00000000; // set PORTB to input
    Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
    Serial.println(PINB);
    delay(1000);
}