1. GPIO
2. 定时器
3. 串行通信
4. 中断功能GPIO
单片机仅靠CPU和内存是无法运行的！
有效使用单片机不可或缺的“外设功能”是什么呢？
对电子产品进行控制的单片机是由CPU、内存及外设功能等部分组成的（图1）。CPU根据指令（程序），执行运算、数据的读写以及进行条件判断等，而内存则用来保存该程序（记忆）。
外设功能是指为了使单片机便于使用的各种功能。例如，CPU为了与外部的传感器及开关等进行信号交换，就需要“输入/输出端口(I/O端口)”这种外设功能。
而且，将模拟输入信号转换为数字值的“A/D转换器”以及反过来将数字值转换为模拟输出信号的“D/A转换器”则是单片机对各种信号进行处理时不可或缺的外设功能。
另外，还有为了正确测量时间所用的“定时器”以及提供日期和时计的“实时时钟（RTC）”，用于进行与时间相关的处理，此外还有将并行信号(parallel
signal)和串行信号(serial signal)进行互相交换的“UART（Universal Asynchronous Receiver
Transmitter，通用异步收发器）”等，以便进行通信。
图1：单片机内部结构示意图
了解数字信号的输入/输出端口---“GPIO”
在“输入/输出端口(I/O端口)”中，数字信号的输入/输出端口即“GPIO（General Purpose
Input/Output）”也被称为“通用I/O端口”，是一种用于数字信号输入/输出的非常方便的端口。用于将数字输出的传感器值和开关的ON/OFF值传送到单片机的输入端及通过LED来显示单片机的运算结果，以及输出用于驱动电机运行的信号等等。
GPIO被称为通用端口是其引脚既可以用于输入也可以用于输出。在早期的单片机中，引脚都被固定用于输入或输出，但是现在很多单片机中都可以自由地将其设定为输入或输出端口。假设GPIO端子有8个引脚，则可以将4个引脚用于输入，另4个引脚用于输出，也可以将1个引脚用于输入，剩下的7个引脚用于输出。
在GPIO中，为了使CPU和外部设备之间进行数据交换，要相互执行通过程序处理的数字值（0或1）与信号（电压的LOW电平或HIGH电平）的转换。下面是作为RX63N单片机的GPIO端口基础的寄存器（※1）的作用（图2）。
（※1）寄存器（Register）：存在于单片机的CPU和外设功能内部中的记忆回路。用于运算和保持CPU的执行状态。由于是作为CPU及外设功能的内部回路，所以在对内存进行写入和读取时速度很快，但容量却非常小，既有可以用于各种用途的寄存器（通用寄存器），又有用于某些限定的功能和用途的特殊寄存器。
图2：GPIO的基本结构示意图
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端口方向寄存器（PDR）
决定引脚方向的寄存器，也称为“方向寄存器”。
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端口输入数据寄存器（PIDR）
输入时反映所使用的引脚状态的寄存器。从引脚输入LOW电平或者HIGH电平时会将之转换为0或1的值并读取该转换结果。随着引脚的变化数值也将发生变化。所以不会保持读取时的值。
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端口输出数据寄存器（PODR）
此寄存器保存用作输出引脚的输出数据。将0或1的值转换为LOW电平或HIGH电平信号并从引脚输出。由于可以与内存一样保持改写前的值，所以在改写前来自引脚的输出电压也将保持不变。
一手包办有关时间和时刻的处理！
在单片机中，不仅频繁地使用“○月○日○点○分”这种时刻显示，显示过去的时间和一定的周期这种形式也被频繁地使用。例如，“该程序从运行开始过去了多少时间？”、“每秒输送128次信号”等等。另外，还经常被用于“等待指定的时间”、“经过指定的时间后将转移到下一个处理”这样的情况。对这些与时间和时刻有关进行处理的外设功能就是定时器（图1）。
图1：定时器就是进行与时间、时刻有关的处理我们也可以不使用外设功能（硬件）的定时器，而是通过软件来计算时间。下面通过图2来说明使用软件来定时的示例，图中假设循环（重复）部分的处理需要费时１μs（微秒：100万分之1秒）。由此可以计算出该循环部分重复1000次需要花费1ms（毫秒：千分之1秒），重复100万次则需费时1秒。即：通过“等待经过循环处理所指定的时间”来计算时间。但是，CPU将会集中进行时间计算的处理而无法进行其他处理。而且，只能计算一个周期的时间。而现实当中，单片机需要对应0.1秒和1/1024秒等各种周期的时间。另外，CPU的计时器频率（驱动速度）也将对软件产生影响。如果将100MHz驱动的CPU改为50MHz，那么循环1次所需的时间将变为原来的两倍。因此，需要对计算时间的软件进行修正。如上所述，由于在管理上既花时间又容易出错，所以要极力避免通过软件来计算时间。
图2：通过软件定时的定时器示例
稍微介绍一下中断的内容……
下面，我们简单介绍一下和定时器不可分割的技术——“中断功能”。单片机中的“中断功能”是指某个程序在执行过程中，因某种原因而发出“开始进行其他处理”的请求。由于可以使用中断功能，所以可使CPU不集中进行一个处理。让我们想象一下日常生活中用到“中断功能”的情景，当我们把热水倒入方便面盒中后，如果我们在3分钟内一直盯着时钟看，那么这段时间内我们就不能做其它事情。但如果用厨房定时器设定3分钟的时间，在厨房定时器的警报响起之前我们便可以去做其它事情。在这个例子中，“一直盯着时钟看”就相当于前一节中所介绍的“等待经过循环处理所指定的时间”，所以在处理结束之前不能去做其它事情。同时，厨房定时器的警报就相当于中断功能。在中断发生前还可以去做其它事情。单片机的外设功能中有各种各样的定时器，这些定时器在经过指定的时间或处理结束时向CPU发送中断信号。不仅是定时器，很多外设功能都会在“产生变化”、“处理开始／结束”时将中断信息传送给CPU。所以，CPU在中断功能发生前还可以继续做其它工作，因此可提高作业效率。关于中断功能的详细内容，将在本文后面的《外部中断功能IRQ》中做详细介绍。我们先事先了解一下“从外设功能以中断的形式向CPU传送信息”的内容。
各式各样的定时器中，还有“看门狗定时器”！
在单片机的外设功能中，最贴心的定时器是计算到指定时间的定时器和每隔一段时间便发生中断的定时器。在定时器中，最具特色的是WDT（看门狗定时器）。其名字Watch Dog Time中的Watch
dog意思为“看门狗”，它的工作就是监视程序是否出现失控。由WDT监视的程序通过事先将设定的值写入WDT后启动。WDT每隔一定时间便减掉写入的值，当程序正常运行时，处理结束前会对WDT清零再结束。但是，如果程序失控（进入意料之外的重复状态且无法停止）时，写入WDT的值将小于0（称为下溢），因此向CPU通知程序出现了失控。在不允许睡眠的重要系统中，单片机中搭载的“看门狗定时器”―WDT发挥了极其重要的作用。
串行通信
单片机与外围设备的连接：并行和串行
单片机是嵌入式设备的“头脑”，其与作为嵌入式设备的“手和脚”是各种外围设备（输入输出设备等）连接。单片机应该怎样与这些外围设备连接才好呢？比如，我们来考虑一下将传感器与单片机连接的情况。如果使用前面介绍的“GPIO”的话，从传感器向单片机传送8位信号时需要使用8个引脚。这种传送模式被称为并行（并行通信）模式（图1―左）。但是，仅一个传感器就需要连接8个引脚，确实太可惜了 ，是否还有连接更少的引脚就能达到同样目的的方法呢？
此时，可使用串行传送模式（串行通信）。“串行”的意思就是直列或直线。通过并行传送模式(Parallerl Transferring
Mode)中需要8个引脚才能实现的通信，在串行传送模式(Serial Transfer
Mode)中，由于可以以排成一直线的模式进行传送，所以仅需一个引脚就够了（图1―右）。由于在单片机内部是通过并行模式来进行信号交换，所以还需将通过串行模式传送来的信号转换为并行模式（串行并行转换）。相反，从单片机向与单片机串行连接的外围设备传送的信号也需要将信号从并行模式转换为串行模式（并行串行转换）。瑞萨电子的单片机RX63N是通过被称为SCI（Serial
Communication Interface，串行通信接口）的单元进行这些转换的。例如，使一个引脚对应1位
的char型变量进行信息交换的是并行通信(Parallel communication)，而一个引脚以时分（time
division）按每1位进行信息交换的就是串行通信(Serial Communication)。
图１：并行和串行由于串行连接仅使用少数引脚便可进行，所以，近年来多被用于单片机和外围设备之间的连接。GPIO除了用于将驱动电机的信号及 LED闪烁等软件操作结果的信号输出时以外，还被用于通过开关或ON/OFF输出的传感器的输入等。
通过UART便可简单地使用串行通信
由于电特性的不同，以及用于进行通信协议的规定不同，串行通信具有多种方式，其中，最易于使用的应该是“异步通信模式”了。仅需用信号线将单片机和外围设备连接起来便可使用，所以在单片机与动作监视器用的终端之间进行通信时、以及单片机与无线LAN用模块进行通信时使用。
在异步通信模式的串行通信状态下，一字节的文字信息※1在“开始位”（Start bit,意味着开始发送）和“停止位”（Stop bit,意味着停止发送）之间发送（图2）。由此，无需 I2C（Inter-Integrated
Circuit，内部集成电路）”及“SPI（Serial Peripheral
Interface，串行外设接口）”等时钟信号线（但在其他的串行通信模式中这些时钟信号线是必需的，以对发送和接收的时序进行同步）。另外，还可追加用于检查数据是否已正常发送的“奇偶校验位(Parity
bit)※2”。
此通信方式所使用的通信用器件被称为UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发器），在瑞萨电子的单片机--RX63N中内置了支持此功能的SCI(串行通信接口)。
（※1）异步串行通信状态下，一般都是从“最低有效位(LSB: Least Significant Bit),即最低二进制数位”开始进行发送的。
（※2）奇偶校验位(Paritybit)：在发送时按一定量的数据（在SCI中为7位或8位）中所具有“1”（或“0”）的个数为奇数个时定为“1”，为偶数个时定为“0”的奇偶校验位（使偶校验(Even
Parity
Check)、数据及奇偶校验位中所包括的“1”的数量成为偶数个的方法），并通过与接收侧进行校验，以检测出数据通信中的错误。反之，如果“1”（或“0”）的个数为奇数时定为“0”，为偶数时定为“1”的方法被称为奇校验(Odd
Parity Check)。
图２：异步串行通信在异步通信中，能实现按“单片机→外围设备”或“外围设备→单片机”的方向确保数据信号专用的信号线时，被称为全双工通信。另一方面，将通过1根信号线来切换通信方向的方式称为半双工通信。全双工方式时需要2根信号线，可同时进行发送和接收。半双工方式时仅需1根信号线，但必须在发送和接收之间进行切换（图3）。
图3：全双工通信和半双工通信中断功能
提高作业效率的“中断功能”指的是什么？
我们回顾一下“定时器”篇中简单介绍过的“中断功能”概念。任何人都有过这样的经验，就是“将鸡蛋放进沸腾的热水中，直到鸡蛋煮熟的10分钟内要确认好几次时钟”的经历。在单片机的世界中也同样，在等待某种状态达成时，具有对对象进行定期检查的方法。例如，在等待向GPIO（通用I/O端口）的输入从0变为1时，程序可以一定的间隔来检查GPIO的状态。这种处理被称为“轮询”。
轮询虽然是一种了解状态变化的简单方法，但是如果检查的频度低（间隔长）就会错过变化，如果频度过高（间隔短），即使查也查不到变化“空耗”。由于轮询通过简单的程序便能完成处理，所以在掌握对象的变化频度时是有效的。但是，进行多次检查也会给单片机带来负荷，对功耗不利。
因此就要用到“中断功能”。产生中断时，CPU会暂时停止正在执行的任务，转而进行别的任务。也就是有别的任务“穿插”进来的意思（图1） 。当中途穿插进来的任务结束后，CPU再返回处理原来的任务。
图１：中断与轮询设想一下你在工作的同时煮鸡蛋的情况。由于你不想停下手中的工作，所以把鸡蛋放入热水中后就设置定时器并继续工作，10分钟后定时器一响就把鸡蛋从热水中捞起。这时，定时器的鸣叫就是中断 ，而“把鸡蛋从热水中捞起”就是穿插进来的工作。大家可以通过这种方式来了解中断功能。
单片机中的中断处理
中断产生于单片机内部和外部的各种设备。于开关和感应器等单片机外部的中断称为外部引脚中断，来自这些机器的中断信号由名为“IRQ”的引脚接收，再向中断控制器（在RX63N中称被称为“ICUb”）发出通知。IRQ为“Interrupt
ReQuest”的略称，意思为“中断请求”。另外，来自单
片机内部的定时器和GPIO、串行通信设备UART等外设机器的中断被称为外部设备中断，中断信号直接从各外部设备通知中断控制器。
在中断控制器中，各种设备的中断信号按照先来后到的顺序，以适当的顺序被传送到CPU。而且，中断被设为无效的设备的中断信号将不会被传送到CPU，也就意味着可以忽视（屏蔽）这些信号。CPU按照从中断控制器接收到的指示来执行对应的程序（中断处理）。
CPU一旦接收到中断控制器的中断信号，首先将终止执行中的程序。然而，会自动保存“从何处重启”的出栈(POP)信息，这被称为“进栈(PUSH)”。进栈结束后，将开始由中断执行的程序。该程序结束时，进栈信息将回
送到CPU，这种现象被称为“出栈”（图2）。由于进栈和出栈都由CPU自动执行，因此程序设计者不必因顺序问题而费心。
图２：中断处理流程例如，通过UART执行串行通信时，经常监视字节是否被接收了而导致效率不佳。所以，多数情况下都对程序进行如下编程，即在信息送达 时就会产生中断并进行适当的处理，另外，使定时器产生中断的情况也不在少数。进行“经过了一定时间后该做什么”这类处理时，应进行如下编程，即通过来自定时器的信号开始进行处理。如上所述，在有效利用单片机方面，中断功能发挥了很大的作用。
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