📌 GPIO

GPIO란 General Purpose Input Output의 약자로 한국어로는 범용 입력 출력을 뜻한다.

마이크로프로세서가 주변장치와 통신하기 위해 범용으로 사용되는 입출력 포트이며, 프로그래머가 포트에 대해 입력이냐 출력이냐를 설정할 수 있다.

단, GPIO 포트를 설정하기 이전에 사용이 불가능하므로 GPIO포트에 대한 설정을 반드시 지정해야 한다.
이 부분에 있어 입출력이 지정되어 있는 것보다는 자유도가 높아지지만, 지정을 꼭 해주어야만 한다는 단점이 있음을 알 수 있다.

 

입력과 출력 포트를 제어하기 위해 3개의 레지스터가 사용된다.

PORTx : 포트에 대한 내용
DDRx : 출력인지 입력인지 정해줌
PINx : 포트를 이루고 있는 핀 지정 가능

이 레지스터들에 대해서는 밑에서 조금 더 자세히 다뤄보려고 한다.

 

✨ ATmega128 GPIO 포트

ATmega128에는 총 53개의 GPIO포트가 존재하며, 핀은 디지털적으로 High(5V)나 Low(0V)로 출력이 가능하다. 반대로 이런 디지털 신호에 대한 입력도 가능하다.

 

✨ ATmega128 GPIO 관련 레지스터

🍀 PORTx

PORTx의 경우 Read랑 Write 모두 가능하며, 초기값은 0이다.
1을 넣어주면 High상태, 0을 넣어주면 Low상태이다.

예를들어, LED 8개를 PA0~PA7까지 연결시켜두었다고 가정해보자.
ATmega128의 경우 Pull Up 저항을 사용하였기 때문에 LED 8개의 불들을 모두 끄고 싶으면 PORTA = 0b11111111 또는 PORTA = 0xff로 해주면 된다.

🍀 DDRx

위에서 언급했듯이 DDRx 포트의 경우 출력인지 입력인지를 정해준다.
PORTx와 마찬가지로 Read와 Write 모두 가능하며, 초기값은 0이다.

예를 들어, DDRA = 0x00은 PA0~PA7 모두 입력을 받는다는 뜻이고, DDRA = 0xff는 PA0~PA7 모두 출력으로 사용하겠다는 뜻이다.

🍀 PINx

PINx의 경우 Read만 가능하며 초기값은 Not Available이다.
상태 제어 레지스터를 입력으로 둔 뒤, 코드 내부에서 변수로 받아와 활용이 가능하다.

 

📌 Pull Up / Pull Down 저항

Pull Up과 Pull Down 저항에 대해서 알아보기 전에 먼저 Floating 현상에 대해서 알고 넘어가야한다.

 

✨ Floating 현상

Floating 현상이란 스위치가 연결되지 않은 상태에서 전류가 흐르는지 흐르지 않는지 알 수 없는 상태이다.

디지털 핀을 입력 상태로 설정하게 되면 5V 값은 High, 0V는 Low로 인식하게 되는데, 입력 단자 주위에 생긴 정전기나 잡음에 의해 오류가 생겨서 Floating 현상이 발생하게 된다.

이를 방지하고자 나온 개념이 Pull Up 저항과 Pull Down 저항이다. 위의 문제가 발생하는 것을 방지하기 위해 회로에 Pull Up 저항과 Pull Down 저항을 연결해주면 해결가능하다.

 

✨ Pull Up 저항

Pull Up 저항과 Pull Down 저항에 대해서 공부할 때, 사진으로 설명된 자료를 봤을 때 이해가 바로 됐었는데 사진을 첨부하기에는 저작권 문제가 있을 것 같아 공부한 개념만 정리하고 넘어가볼 예정이다.

• 저항을 앞에 붙여줘서 floating 현상을 해결하는 방법
• 스위치가 열린 상태 : 입력 핀으로 전류가 흐르게 되고, 전원전압과 같은 5V 전압이 걸리게 되므로 입력 핀에는 High 값이 읽히게 된다.
• 스위치가 닫힌 상태 : 모든 전류는 GND 쪽으로 흐르게 되므로 입력 핀에는 Low 값이 읽히게 된다.

 

✨ Pull Down 저항

• 저항을 밑에 붙여줘서 플로팅 현상을 해결하는 방법
• 스위치가 열린 상태 : 어디에도 전류가 흐르지 않고, 입력 핀에는 0V의 전압이 걸리게 된다.
• 스위치가 닫힌 상태 : 저항으로 인해 전류는 모두 입력 핀 쪽으로 흐르고 입력 핀에는 전원 전압과 같은 5V가 걸리게 된다.

사실 처음 개념을 접했을 때는 복잡하게만 느껴졌는데 보통 일반적인 경우가 Pull Down 저항을 사용한 경우이고, 그 반대의 경우가 Pull Up 저항을 사용한 경우라고 생각하였다.

 

📌 Sink / Source 전류

✨ Sink 전류

• 출력 쪽으로 전류가 흘러간다는 뜻
• 칩의 출력과 전원 사이에 소자를 연결하여 칩의 출력이 Low일 때 동작
• ATmega128의 경우 datasheet를 보면 Vcc가 5V일 때 20mA, Vcc가 3V일 때 10mA임을 알 수 있다.

✨ Source 전류

• 출력에서 바깥으로 전류가 흐른다는 뜻
• 칩의 출력과 0V 사이에 소자를 연결하여 출력이 High일 때 동작
• ATmega128의 경우 datasheet를 보면 Vcc가 5V일 때 20mA, Vcc가 3V일 때 10mA임을 알 수 있다.

알아보니 대부분의 IC는 Source보다 Sink 전류가 높기 때문에 Sink로 구동하는 것이 유리하다고 한다.

 

🧷 LED Shift

✨ 조건

• _delay_ms() 함수를 이용하여 일정시간 간격으로 LED 채웠다 빼기(왼쪽, 오른쪽)
• shift 연산자(>>, <<)를 사용하여 알고리즘 구현

 

✨ 코드

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>


int main(void)
{
  unsigned char led1, led2;               //LED점등 데이터가 저장될 8bit변수 led2
  int i, j;

  DDRA = 0xff;                       //포트A를 출력으로 설정
  
  while (1)
  {
     PORTA = 0xff;
     _delay_ms(1000);
    
     for (i=0; i<8; i++)
     {
        led1 = 0xff >> 8-i;
        for (j=0; j<8-i; j++)
        {
           led2 = 0x80 >> j;
           PORTA = (~(led1 | led2));
           _delay_ms(1000);
        }
     }
     
      for (i=0; i<8; i++)
     {
        led1 = 0xff << 7-i;
        for (j=0; j<i+1; j++)
        {
           led2 = 0x80 >> i-j;
           PORTA = led1 & (0x00 ^ ~led2);
           _delay_ms(1000);
        }
     }
  }
}

 

🤣 느낀점

어떤 느낌으로 코드를 짜야될지는 바로 감이 왔었는데 생각보다 복잡해서 직접 손으로 그려가면서 규칙성을 찾아냈던 기억이 난다.

코드만 보면 되게 간단해보이겠지만, 규칙성을 찾아내고 비트 연산자를 이용해서 코드를 짜는데에 있어 어려움이 있었다.