GPIO)

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Inhalt

Grundlagen
Pins als knappe Ressource - PinMux
Anschluss von Peripherie (LED, Taster, 7-Segment, Matrix)
Enable/Disable/Status-Konzept & PIO-Register
Struktur eines Portpins
Code-Beispiele
AT91 vs. SAM3X
Prüfungsrelevanz

1. Grundlagen

Parallele I/O = einfachste Art, mit der Außenwelt zu kommunizieren, zu steuern und zu messen. Alles digital: Ein/Aus, High/Low, 1/0.
Portpin = physischer elektrischer Anschluss am Chip. Kann Eingang (z. B. Taster abfragen) oder Ausgang (z. B. LED schalten) sein.
Port = Zusammenfassung mehrerer Pins (z. B. 32 Pins). Auch GPIO (General Purpose Input Output) genannt.
Pegelinterpretation: Ob High oder Low den aktiven Zustand („1") darstellt, ist definierbar (active high / active low).

2. Pins als knappe Ressource - PinMux

Pins sind eine der knappsten Ressourcen - die Anzahl der Anschlüsse ist begrenzt.
MC bietet oft mehr Funktionen als Pins → ein Pin kann für eine Schnittstelle (USART, I²C, Timer) umkonfiguriert werden: Pin Multiplex (PinMux). Eine Schnittstelle braucht meist mehrere Pins.
Konfiguration über Register: Richtung (Ein/Aus), evtl. Pull-Up/Pull-Down, evtl. Sonderfunktion (PinMux).

3. Anschluss von Peripherie

LED - Low-aktiv vs. High-aktiv

	Low-aktiv (häufiger)	High-aktiv
LED leuchtet bei	Ausgang = Low	Ausgang = High
Strom	LED gegen +UB; µC zieht Strom (sink)	µC liefert Strom (source)
Vorteil	Prozessor muss keinen LED-Strom liefern → häufiger	intuitiver

Taster/Schalter - Entprellen (Debouncing)

Anschluss active high oder active low; meist Pull-Up/Pull-Down nötig (am besten intern im µC).
Entprellen mechanischer Taster fast immer nötig:
- Hardware: FlipFlop, Kondensator+Widerstand, oder µC-Optionen (Glitch/Debounce-Filter).
- Software: Zeitmessung mit Timer (Kap. 5).

7-Segment-Anzeige

Ziffer aus 7 Segmenten a–g (+ Dezimalpunkt dp).
Ohne Decoder: jedes Segment ein Pin → 4 Ziffern = 8+4 (Multiplex) statt 8×4 = 12 statt 32 Pins.
Mit BCD-Decoder (BCD = Binary Coded Decimal): Decoder wandelt 4-Bit-Zahl → Segmente → spart Pins (z. B. 9 statt 20).
Zeitmultiplex: Stellen nacheinander sehr schnell an-/ausschalten (Auge zu träge → wirkt gleichzeitig).

Tastaturmatrix

Tasten in Reihen × Spalten anordnen → spart Pins.
Abfrage im Zeitmultiplex: Spalten nacheinander aktivieren (Output), Reihen messen (Input). Pull-Up/Down nötig.

4. Enable/Disable/Status-Konzept & PIO-Register

Atmel nutzt Registertripel für atomare Operationen (kein Read-Modify-Write, keine Race Conditions):

…ER (Enable Register): Schreiben einer 1 aktiviert die Funktion (andere Bits unberührt).
…DR (Disable Register): Schreiben einer 1 deaktiviert die Funktion.
…SR (Status Register): Lesen liefert den aktuellen Zustand (1 = aktiv).

Wichtige PIO-Register (je Port)

Register	Funktion
`PIO_PER` / `PIO_PDR`	PIO Enable/Disable - steuert der PIO-Controller den Pin, oder eine Peripherie?
`PIO_PSR`	PIO Status (wird der Pin vom PIO gesteuert?)
`PIO_OER` / `PIO_ODR`	Output Enable/Disable - Pin ist Ausgang oder Eingang
`PIO_OSR`	Output Status
`PIO_SODR` / `PIO_CODR`	Set/Clear Output Data - Ausgang auf High / Low setzen (bitweise, atomar)
`PIO_ODSR`	Output Data Status (gesetzte Ausgangswerte lesen)
`PIO_PDSR`	Pin Data Status - tatsächlichen Pegel am Pin einlesen
`PIO_PUER` / `PIO_PUDR`	Pull-Up Enable/Disable
`PIO_ABSR` (nur SAM3X)	Peripheral A/B Select - wählt Sonderfunktion A oder B

SODR vs. CODR: SODR setzt Pins auf High (Set), CODR löscht sie auf Low (Clear). Beide wirken nur auf die gesetzten Bits, ohne andere Ausgänge zu ändern. Genau das braucht die 7-Segment-Klausuraufgabe.

5. Struktur eines Portpins

Ausgang: Daten aus SODR/CODR → Multiplexer → Pad. Bei aktivierter Peripherie kommen die Daten direkt vom Peripheriemodul (PWM, USART …).
Eingang: Signal vom Pad → optionaler Glitch-Filter / Debounce-Filter (nur SAM3X) → PDSR. Zusätzlich Flankenerkennung (Event Detection) → kann Interrupts auslösen (Kap. 6).

6. Code-Beispiele

// ---- Init: LED an Port A, Pin (1<<12), low-aktiv ----
PMC->PMC_PCER0 = 1 << ID_PIOA;   // 1) Clock für PIOA an  (Kap.2!)
PIOA->PIO_PER  = (1 << 12);      // 2) Pin vom PIO steuern lassen
PIOA->PIO_OER  = (1 << 12);      // 3) als Ausgang

PIOA->PIO_CODR = (1 << 12);      // LED an (low-aktiv → Low = leuchtet)
PIOA->PIO_SODR = (1 << 12);      // LED aus

// ---- Taster an Pin (1<<5) einlesen ----
PIOA->PIO_ODR  = (1 << 5);       // Eingang
PIOA->PIO_PUER = (1 << 5);       // Pull-Up an
if ((PIOA->PIO_PDSR & (1 << 5)) == 0) { /* Taster gedrückt (active low) */ }

Peripheriefunktion aktivieren (SAM3X, z. B. USART-Pins):

Clock für Peripherie an (PMC_PCER)
PIO-Steuerung für die Pins abgeben: PIO_PDR
Peripherie A oder B wählen: PIO_ABSR

7. AT91 vs. SAM3X

Feature	AT91	SAM3X
Ports	2 (A, B)	4 (A, B, C, D)
Peripherie-Wahl	fest verdrahtet (bei PIO-Disable)	wählbar A/B über `PIO_ABSR`
Input-Filter	einfacher Glitch-Filter	Glitch- oder Debounce-Filter
Pull	Pull-Ups	Pull-Ups + Pull-Downs konfigurierbar
Interrupt	ja	ja

RP2040: GPIO mit SIO für direkten Zugriff, zusätzliche Set/Clear/Toggle-Register, Programmable IO State Machines.

Prüfungsrelevanz

7-Segment-Codeaufgabe (KL20 Aufg. 3): Gegeben Init + Anschlussbelegung (welches Segment an welchem Pin), dazu Codezeilen mit SODR/CODR → welche Zahl wird angezeigt? Methode: verfolge Bit für Bit, welche Segmente High (an, bei high-aktiv) sind, und lies die Ziffer.
SODR=High setzen, CODR=Low setzen sicher unterscheiden; PDSR liest den Pin.
Init-Reihenfolge: Clock (PMC) → PER → OER/ODR → Pull-Up → Daten.
Low- vs. high-aktiv (LED, Taster) und warum low-aktiv häufiger ist.

Typische Fehler: SODR/CODR vertauschen · vergessen, den PIO-Clock einzuschalten · bei low-aktiver Anzeige die Pegel invertieren müssen · ODSR (Ausgangswert) mit PDSR (Pin-Pegel) verwechseln.

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