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汎用I/O操作

　ATmegaシリーズには、ポートB、C、Dの汎用I/Oポートがあります。
　（40ピンのATmega644、ATmega1280には、ポートAもあり。）

　汎用I/Oポートを扱うことは、DDR(Data Direction Register)、INPUT、OUTPUT
　の３レジスタを操作することと等価。

　各レジスタは、SFR(Sepecial Function Register)として扱われ
　memory mapped registerのメモリ空間に配置されています。



　I/Oで扱うときには、（）の中にあるアドレスを利用。

　AVRチップでは、汎用レジスタr0からr31を、0x00から0x1fに
　アサインしてI/Oで使えるため、0x20より上のアドレスに
　SFRがマッピングされています。

　ポートB、C、DのDDR、INPUT、OUTPUTは、シンボルを使って
　操作した方が動作をイメージしやすいので、「constant」
　ワードを利用して定義。

　アドレスの並びは、下からINPUT、DDR、OUTPUTであると
　気がつけば、次のように定義できます。

$23 constant PINB
$24 constant DDRB
$25 constant PORTB
$26 constant PINC
$27 constant DDRC
$28 constant PORTC
$29 constant PIND
$2a constant DDRD
$2b constant PORTD

　ワードをひとつずつタイプするのは、面倒なのでテキストエディタで
　操作ワードを入力後、クリップボード経由で端末ソフトによるPaste
　を実行。これで、パラメータおよび操作ワードがATmegaチップに転送
　されます。



　ATmegaでは、DDRにポートピンの入出力方向を設定してから
　INPUT、OUTPUTを使わなければなりません。

　論理値の'1'を与えると出力、'0'を与えると入力。

　Arduino基板では、ポートBの５ビット目にLEDが接続されてます。



　LEDを手動で点滅させてみます。
　次の手順で、ワードを定義して動作を確認していきます。

ポートBの５ビット目を出力に設定
ポートBの５ビット目を論理値の'1'を出力
ポートBの５ビット目を論理値の'0'を出力

　各処理にワード名をつけておきます。
　ワード名を与えることで、動作を明確にすることは
　テスト、デバッグにとって重要。

init_led ポートBの５ビット目を出力に設定
led_on   ポートBの５ビット目を論理値の'1'を出力
led_off  ポートBの５ビット目を論理値の'0'を出力

　出力に設定するには、ポートBのDDRを操作します。

　ワード「constant」でアドレスは定義済み。
　それを利用すると、次のように何種か考えられます。

%00100000 DDRB c!{enter}
$20 DDRB c!{enter}
#32 DDRB c!{enter}
DDRB c@ $20 or DDRB c!{enter}
1 5 lshift DDRB c!{enter}

　ワード「c!」は、16ビット中の下位８ビットを利用した
　パラメータ格納が可能。上位８ビットは扱いません。

　２進数、10進数、16進数で数値を指定したいとき
　surfixの%、#、$を使います。

　ワード「lshift」は、数値を指定したビット数だけ
　左に論理シフトしてスタックトップに格納。

　LEDの点灯、消灯は、次のように定義できます。

PORTB c@ $20 or PORTB c!{enter}
PORTB c@ $df and PORTB c!{enter}

　ビット操作でレジスタPORTBの５ビット目を
　セット、クリア。論理和、論理積を使うと
　他のビットに影響を与えず、対象ビットを
　操作できるようになっています。

　端末からポートBを扱う操作をして、LEDの
　状態がどうなるかを見てみましょう。



　動作が確認できたなら、それぞれをワード定義。

: init_led DDRB c@ $20 or DDRB c! ;
: led_on PORTB c@ $20 or PORTB c! ;
: led_off PORTB c@ $df and PORTB c! ;

　Forthのプログラミングは、ビルトインまたは
　自分で定義したワードを組合わせること。

　点滅というワードを定義し、より理解が容易な内容にしていきます。

　ワード「led_blink」を定義。

: led_blink led_on 500 ms led_off 500 ms ;

　ワード「led_blink」を拡張して、何かキーが
　入力されるまで、点滅を繰返す「led_flush」
　ワードを定義します。

: led_test 1 + init_led 0 do i . led_blink loop ;

　反復に使う構文は、３種あります。

begin ... again
begin ... flag until
begin ... flag while ... repeat

　無限ループ構成とループを脱出する処理の２種に
　分かれています。

　flag untilは、条件成立でループを抜け
　flag while ... repeatは、条件成立で
　ループ内部の処理を実行となります。

　ワード「led_flush」では、キー入力があれば
　ループを抜けるようにしています。

　ポートCに接続したスイッチの論理値をポートBにある
　LEDに反映させるワードを定義してみます。



　ポートB、Cの入出力方向を設定。

DDRB c@ $ff or DDRB c!{enter}
DDRC c@ $00 and DDRC c!{enter}

　DDRBレジスタの値を取り出して、16進数FFと論理和を
　求めるので、スタックに16進数FFが残っています。
　それを再びDDRBレジスタの値として書き込み。

　DDRCレジスタの値を取り出して、16進数00と論理積を
　求めるので、スタックに16進数00が残っています。
　それを再びDDRCレジスタの値として書き込み。

　レジスタの値をスタックに転送し、加工してから
　再びレジスタの値にするのが、I/O操作の基本と
　考えます。

　ポートCからの入力は、PINCで扱います。
　入力値を確認するには、以下の様にキー
　をタイプしてみればよいでしょう。

PINC c@ .{enter}

　入力した値をスタックにおき、それをポートBに
　転送すれば、仕様を満足するはず。

PINC c@ PORTB c!{enter}

　スタックがデータを入れるバッファの役割を
　しているとわかれば、１行処理にまとまります。

　正論理、負論理の混在したシステムでは、論理
　反転を追加して対応。

PINC c@ $ff xor PORTB c!{enter}

　モータを動かすために半田付けした基板があります。



　マルチプロセッサを実現するために作成した基板。

　サーボモータ、DCモータを制御するプロセッサに
　PIC12F1501を利用。ATmega328からPICに情報伝達
　するたには、74HC165を経由。

　他にセンサーからの４ビット情報を入手するため
　74HC157をATmega328に接続。



　各ポートの信号割り当ては、以下。

  PORTB
    PB5 (output)LED
    PB4 (output)
    PB3 (output)D3
    PB2 (output)D2
    PB1 (output)D1
    PB0 (output)D0

  PORTC
    PC5 (output)command(PIC)
    PC4 (output)select
    PC3 (input )sensor_3(sensor_7)
    PC2 (input )sensor_2(sensor_6)
    PC1 (input )sensor_1(sensor_5)
    PC0 (input )sensor_0(sensor_4)

  PORTD
    PD7 (output)D7
    PD6 (output)D6
    PD5 (output)D5
    PD4 (output)D4
    PD3 (output)nLOAD_LEFT
    PD2 (output)nLOAD_RIGHT
    PD1 (output)TxD
    PD0 (input) RxD

　ポートB、C、Dの初期化が必要なのでワードを定義。

: init_port
 $00 PORTB c! (PB value)
 $f0 PORTC c! (PC value)
 $0c PORTD c! (PD value)
 $ff DDRB c! (PB data direction)
 $f0 DDRC c! (PC data direction)
 $fe DDRD c! (PD data direction)
;

　２種のセンサーから、各４ビットのデータを取得するため
　変数を定義して、それらに格納すればよいでしょう。

variable SENSOR
variable OTHERS

: get_sensor ( -- )
 PORTC c@ $e0 and PORTC c!
 PINC c@ $0f and SENSOR c!
;

: get_other ( -- )
 PORTC c@ $10 or PORTC c!
 PINC c@ $0f and OTHERS c!
;

　PICに情報を渡すには、74HC165にデータを渡した後
　トリガーを与えます。

　74HC165に１バイトを渡すワードを定義して、その
　ワードにトリガーを与える処理を追加していきます。

: put_byte (x -- )
  dup 
  4 rshift $0f and swap
  $0f and 4 lshift $f0 and
  PORTD c@ $0f and or PORTD c!
  PORTB c@ $f0 and or PORTB c!
;

: snd_byte (s x -- )
  put_byte =0 if $fb else $f7 then
  dup PORTD c@ and PORTD c!
  $ff xor PORTD c@ or PORTD c!
;

: snd_trg (x1 x0 -- )
  0 swap snd_byte 1 swap snd_byte ;
  PORTC c@ $20 or PORTC c!
  PORTC c@ $df and PORTC c!
;

　74HC165に８ビットデータを転送するときに、nLOADピンに
　負パルスを与えます。こういうときは、１ビットの論理値
　指定ができると便利。

　Forthでは、「無いものは作る」という思想なので、元締め
　となるワードを定義し、動作を指定するパラメータを渡す
　方針で、トリガー用ワードを書いてみます。

: pdo.set 1 swap lshift PORTD c@ or PORTD c! ;
: pdo.clr 1 swap lshift $ff xor PORTD c@ and PORTD c! ;

: snd_htrg 3 pdo.clr 3 pdo.set ;
: snd_ltrg 2 pdo.clr 2 pdo.set ;

　ワード数は増えますが、名称で何をするのか判読しやすくなります。

　ポートCでは、ビット４、５で論理値を出力する操作が
　必要なので、ポートCの各ビットを操作する汎用ワード
　を定義し、それを使うラッパーワードを書いてみます。

: pco.set 1 swap lshift PORTC c@ or PORTC c! ;
: pco.clr 1 swap lshift $ff xor PORTC c@ and PORTC c! ;

: snd_ptrg 4 pco.set 4 pco.clr ;
: sel_a 5 pco.clr ;
: sel_b 5 pco.set ;

　ワードの定義の中に、他のワードを指定することで
　よりわかりやすくできます。

　既存のワードを利用して、より特化した機能をもつ
　ワードを定義して、システムを使いやすくできると
　なると、ワード定義、即実行の特徴が活きてきます。

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