GPIO — General Purpose Input/Output

ผลการเรียนรู้ (Learning Outcomes)

• อธิบาย digital output (ขับ LED/IC) และ digital input (ปุ่ม/สวิตช์) พร้อมปัญหา contact bounce และการ debounce
• กำหนดโหมดขา GPIO (input/output/alternate function/analog) และระบุ register ที่เกี่ยวข้อง
• เปรียบเทียบ output push-pull vs open-drain และการใช้ pull-up/pull-down
• ใช้ BSRR เขียนบิตแบบ atomic โดยไม่ต้อง disable interrupt
• อธิบาย Schmitt trigger (hysteresis) และความเชื่อมโยงกับ debounce
• อ่าน memory map (8 บล็อก × 512MB, little-endian) และการเข้าถึง register ของพอร์ตผ่านภาษา C
• ขับโหลด DC ที่กินกระแสเกินกำลังขาผ่านวงจร interface (ทรานซิสเตอร์สวิตช์ + freewheeling diode)

§3.1 Digital Output และ Digital Input

Digital Output คือการใช้ขา GPIO ส่งค่าออกไป เช่น ขับ LED ให้ติด/ดับ หรือเขียนสัญญาณดิจิทัลไปยัง IC ภายนอก. Digital Input คือการใช้ขา GPIO อ่านค่าเข้ามา เช่น อ่านสถานะปุ่มกด (push button) หรือสวิตช์ หรือรับสัญญาณดิจิทัลจาก IC ภายนอก. GPIO จึงเป็นการเชื่อมต่อสัญญาณดิจิทัลขั้นพื้นฐานระหว่าง MCU กับโลกจริง.

ปัญหาสำคัญของสวิตช์เชิงกลคือ contact bounce. เมื่อหน้าสัมผัสของสวิตช์แตะกัน มันไม่ได้แตะนิ่งทันที แต่จะกระเพื่อมสลับ 0/1 หลายครั้งในช่วงสั้น ๆ ก่อนที่จะนิ่ง ทำให้ MCU นับการกดผิดพลาดหนึ่งครั้งเป็นหลายครั้ง.

การแก้ contact bounce เรียกว่า debounce ทำได้สองแบบ. แบบฮาร์ดแวร์ใช้วงจร RC ร่วมกับ Schmitt trigger เพื่อกรองสัญญาณให้นิ่ง. แบบซอฟต์แวร์ใช้วิธีหน่วงเวลาสั้น ๆ แล้วอ่านค่าซ้ำเพื่อยืนยันสถานะ.

§3.2 GPIO ของ STM32F767ZI

STM32F767ZI มีพอร์ต GPIO ได้แก่ A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K. แต่ละพอร์ตมี 16 ขา เช่น PA[0]–PA[15] ไปจนถึง PJ[0]–PJ[15] ส่วนพอร์ต K มี PK[0]–PK[7]. ตัวชิปบรรจุในแพ็กเกจแบบ LQFP144.

แต่ละขารับกระแสได้สูงสุด ±25 mA (ค่า absolute max). MCU จึงขับโหลด DC เล็ก ๆ ได้โดยตรง แต่ขับมอเตอร์ที่กินกระแสมากไม่ได้ ต้องมีวงจร interface ที่ดึงกระแสจากแหล่งแรงดันสูงกว่าแทน.

สำหรับโหลด DC เล็ก ๆ นิยมใช้ทรานซิสเตอร์เป็นสวิตช์ เช่น MOSFET เบอร์ ZVN4206A ที่มีแรงดัน VGS threshold สูงสุดราว 3V จึงถูกเปิดได้ด้วย logic 1 ที่ 3.3V ของ MCU. และเมื่อขับมอเตอร์ DC ต้องมี flying diode หรือ freewheeling diode คร่อมมอเตอร์เพื่อกันแรงดันย้อนกลับที่เกิดตอนตัดกระแส.

§3.3 Memory Organization และ Memory Map

ใน STM32 ทั้ง program memory, data memory, register และ I/O port ถูกวางอยู่ใน address space เชิงเส้นเดียวกันขนาด 4 GB. การเรียงไบต์เป็นแบบ little-endian คือไบต์ที่ตำแหน่งต่ำสุดในหนึ่ง word คือ LSB (บิตน้ำหนักน้อยสุด). address space ทั้ง 4 GB ถูกแบ่งเป็น 8 บล็อกหลัก บล็อกละ 512 MB.

ตำแหน่งสำคัญของ F767 มีดังนี้. Block0 เป็นพื้นที่ code/Flash โดย Flash บนบัส AXIM อยู่ที่ 0x0800_0000–0x081F_FFFF. Block1 เป็น SRAM เริ่มที่ 0x2000_0000 (DTCM 128KB ที่ 0x2000_0000, SRAM1 368KB ที่ 0x2002_0000, SRAM2 16KB ที่ 0x2007_C000). Block2 เป็น Peripherals เริ่มที่ 0x4000_0000 (รวมบัส APB1/APB2/AHB1/AHB2). ส่วน Cortex-M7 internal peripherals เช่น NVIC และ SysTick อยู่ที่ 0xE000_0000.

§3.4 GPIO Registers (ต่อพอร์ต)

แต่ละพอร์ตมี config register ขนาด 32 บิต สี่ตัวสำหรับตั้งค่าขา. GPIOx_MODER ใช้เลือกโหมดของขา (input/output/AF/analog). GPIOx_OTYPER ใช้เลือก output type ระหว่าง push-pull กับ open-drain. GPIOx_OSPEEDR ใช้ตั้งความเร็ว slew ของขา. GPIOx_PUPDR ใช้เปิด/ปิด pull-up หรือ pull-down ภายใน.

นอกจาก config register ยังมี data register ขนาด 32 บิต สองตัว คือ GPIOx_IDR (input data, อ่านได้อย่างเดียว) และ GPIOx_ODR (output data, อ่าน/เขียนได้). และมี register เสริมอีกคือ GPIOx_BSRR (ตั้ง/ล้างบิตแบบ atomic), GPIOx_LCKR (ล็อกค่า config), และ GPIOx_AFRL/AFRH (เลือก alternate function ของขากลุ่ม low/high).

แต่ละขาตั้งโหมดได้อิสระทีละขา มีให้เลือก 8 แบบ ได้แก่ Input floating, Input pull-up, Input pull-down, Analog, Output open-drain (เปิด/ปิด pull ได้), Output push-pull (เปิด/ปิด pull ได้), Alternate function push-pull และ Alternate function open-drain.

§3.5 GPIO Operation และโหมดการทำงาน

หลังจาก reset ขา GPIO จะเริ่มที่โหมด Input Floating (MODER=00b, PUPDR=00b) และ alternate function ยังไม่ทำงาน.

ในโหมด Output ค่าที่เขียนลงใน ODR จะออกไปที่ขา. แบบ Push-Pull: เขียน 0 ทำให้ N-MOS ทำงานดึงขาลง GND, เขียน 1 ทำให้ P-MOS ทำงานดึงขาขึ้น VDD. แบบ Open-Drain: เขียน 0 ทำให้ N-MOS ทำงานดึงลง GND เหมือนกัน แต่เขียน 1 จะกลายเป็น Hi-Z เพราะไม่มี P-MOS ดึงขึ้น ต้องมี pull-up ภายนอกถึงจะได้ logic 1.

register IDR จะจับค่าที่ขาทุก ๆ AHB1 clock cycle. ทุกขามี weak pull-up/pull-down ภายในที่เปิด/ปิดได้เมื่อตั้งเป็น input. ในโหมด Input: output buffer ปิด, Schmitt trigger เปิด, pull resistor ทำงานตามที่ตั้งไว้ และค่าถูก sample เข้า IDR ทุก AHB1 clock. ในโหมด Output: output buffer เปิด, ถ้าอ่าน IDR จะได้สถานะจริงที่ขา แต่ถ้าอ่าน ODR จะได้ค่าที่เขียนลงไปล่าสุด.

โหมด Alternate function: output buffer ถูกขับด้วยสัญญาณจาก peripheral เช่น UART หรือ SPI, Schmitt trigger เปิด, pull ปิด. โหมด Analog: output buffer ปิด, Schmitt trigger ปิด (จึงกินพลังงานเป็นศูนย์ไม่ว่าแรงดัน analog จะเป็นเท่าใด), pull ปิด และถ้าอ่าน IDR จะได้ค่า 0. Schmitt trigger คือวงจรที่มี hysteresis ช่วยกรองสัญญาณรบกวนและทำให้ขอบสัญญาณที่ไม่ชัดกลายเป็นขอบที่คม ซึ่งเกี่ยวโยงกับการ debounce.

§3.6 Atomic Bit Set/Reset ด้วย BSRR

การแก้ ODR ทีละบิตด้วยวิธี read-modify-write (เช่น ODR |= mask) มีความเสี่ยง เพราะระหว่างที่อ่านค่าออกมากับตอนเขียนกลับ อาจมี interrupt เข้ามาคั่นกลาง ทำให้ set/reset ไม่ครบ หรือไปทับค่าที่ ISR เพิ่งเปลี่ยนไป.

BSRR แก้ปัญหานี้ด้วยการเขียนแบบ atomic. เขียน '1' ลงบิตครึ่งล่าง (bit 0–15) เพื่อ set ขานั้นให้เป็น 1 หรือเขียน '1' ลงบิตครึ่งบน (bit 16–31) เพื่อ reset ขานั้นให้เป็น 0 (จะใช้ register BRR สำหรับ reset อย่างเดียวก็ได้). บิตที่เราเขียน '0' จะไม่ถูกแตะ. ดังนั้นจึงไม่ต้อง disable interrupt และยังแก้ได้หลายบิตพร้อมกันใน single AHB1 write ครั้งเดียว.

§3.7 การเข้าถึง register ของ GPIO ในภาษา C

register ของ GPIO เป็นแบบ memory-mapped I/O คือถูกแมปไว้ใน address space เดียวกับหน่วยความจำ จึงเข้าถึงได้ผ่าน pointer ที่ชี้ไปยัง address ของ register block นั้น.

ชื่อ GPIOA หรือ GPIOB ที่ใช้ใน Lab จริง ๆ แล้วคือ pointer ที่ชี้ไปยัง struct GPIO_TypeDef ที่ base address ของพอร์ตนั้น เราจึงเขียน GPIOA->MODER หรือ GPIOA->IDR เพื่อเข้าถึง register แต่ละตัวได้โดยตรง.

#define PERIPH_BASE        ((uint32_t)0x40000000U)
#define AHB1PERIPH_BASE    (PERIPH_BASE + 0x00020000U)
#define GPIOA_BASE         (AHB1PERIPH_BASE + 0x0000U)
#define GPIOA              ((GPIO_TypeDef *) GPIOA_BASE)  // pointer ไป register block ของพอร์ต A

// ตัวอย่าง: ตั้ง PA0 เป็น input แล้วอ่านค่า
GPIOA->MODER &= ~(0x00000003);   // PA0 = input (เคลียร์ 2 บิตล่างของ MODER)
uint16_t PAval = GPIOA->IDR;     // อ่าน 16 บิตจาก IDR ของ GPIOA