Arduino, ATMega328 manipulación de puertos - mapeo pin y puertos

Actualizado: 16 abril 2022

La manipulación de puertos permite leer, escribir y asignar la función de lectura/escritura de los pines de Arduino (o ATMega328) 60 veces más rápido y utilizando menos memoria.

En la mayoría de casos la manipulación de puertos sería exagerado (sobre todo para proyectos simples - como por ejemplo el proyecto efecto llamas); pero a veces, como veremos, es muy útil para la optimicación y en unos casos ¡imprescindible!

A continuación encontrarás tablas que muestra el mapeo entre los pines del Arduino o AtMega328 y su operación homóloga estilo manipulación de puertos. Puedes seleccionar combinaciones de pines multiples en la primera tabla y ver el resultado de una sol linea de código en la segunda tabla.

Entonces si ya dominas el concepto de manipulacion de puertos y solo necesitas una chuleta, puedes pasar de la explicación y saltar directamente a las tablas de mapeo; y luego crear una marcapáginas en tu navegador para tener siempre acceso conveniente cuando estés desarollando.

Cómo funciona la manipulación de puertos

Los pines del AtMega328 (es decir el chip embebido en el Arduino) están agrupados en bloques físicos (los dichosos "puertos")

D, B y C.

Cada puerto contiene hasta 8 pines.

Cuando parece que tu código está comunicando con cualquier pin individual, en realidad está comunicando con !todos los pines en el puerto entero mediante un byte de datos!

1 byte son 8 bits, por lo tanto suficiente información para hablar con 8 bits. Los puertos D y B contienen 8 pines; mientras el puerto C solo contiene 7 pines.

Cuando, por ejemplo, escribes

digitalWrite(9, HIGH);

parece que estás diciendo simplemente

"pin 9 - ir HIGH" (es decir: pasar corriente por el pin 9, para encender un LED por ejemplo)

Y sí que estás haciendo esto por supuesto; ¡pero no estás solo mandando el pin 9 a HIGH! Por la forma de funcionar físicamente el chip AtMega328, en realidad estás hablando con todos los pines del puerto B.

El código subyacente está haciendo esto:

"pin 8 - no hagas nada"
"pin 9 - cambia a HIGH"
"pin 10 - no hagas nada"
"pin 12 - no hagas nada"
"pin 11 - no hagas nada"
"pin 13 - no hagas nada"
"XTAL1 pin - no hagas nada"
"XTAL2 pin - no hagas nada"

Y además, la función digitalWrite() necesita ejecutar más pasos en el fondo.

PERO... es posible combinar multiples comandos en una sola instrucción y saltar los pasos adicionales - es decir usar "manipulación de puertos".

Pero ¿por qué molestarnos en hacer esto cuando ya existen funciones convenientes y perfectamente intuitivas como digitalWrite(), digitalRead() y pinMode()?

Dos razones:

1. para ahorrar espacio de memoria
2. rapidez

Ambas ventajas incrementan cuando hablas con multiples pines a la misma vez. La manipulación de puertos te permite interactuar con todos los pines de un puerto con una sola instrucción.

Por ejemplo, en vez de escribir (para Arduino)

    digitalWrite(2, HIGH);
    digitalWrite(4, HIGH);
    digitalWrite(6, HIGH);
    digitalWrite(7, HIGH);  

...puedes escibir simplemente:

    PORTD |= 212;  

¿¿¿Y eso...???

Sintaxis de manipulación de puertos

Antes de meternos en la manipulación simultanea, miramos un ejemplo más básico.

  PORTB |= 4;  

es igual que

  digitalWrite(10, HIGH);

A primera vista PORTB |= 4; puede parecer un poco raro (sobre todo si no conoces las operaciones bit a bit) pero en realidad es código C muy normal.

Se trata simplemente de una variable (PORTB), seguida por un operador (|=), seguido por un valor (4).

Entramos en detalle:

La variable

En este caso es una variable especial del sistema usada para la manipulación de puertos. Representa un "registro" (una zona de memoria usada por el microcontrolador para gestionar su estado). Variables de registro están nombradas conforme al siguiente patrón de prefijos y sufijos:

la instrucción seguida por la letra del puerto

La siguiente tabla muestra las 3 instrucciones con su significado y la versión equivalente de alto nivel (se sustitutiría la x por el puerto que te interese):

En nuestro ejemplo básico PORT es un prefijo que significa digitalWrite() y el sufijo B significa el puerto B.

Por lo tanto PORTB... dice "escribamos (HIGH o LOW) a uno o más pines del puerto B".

El operador

El operador es un operador tipo bit a bit (bitwise en inglés) porque estamos manipulando bits individuales.

Solo tienes que conocer tres de estos operadores para manipular puertos pero sus efectos son muy diferentes en función de cómo los combines con los posibles valores.

• |= asignación bit a bit OR
• &= asignación bit a bit AND
• & condición bit a bit AND

Vamos a ver cómo se usan. Todos los ejemplos a continuación actuan sobre el pin 10 del Arduino (recuerda que el 4 en cada ejemplo es binario 100 y que el pin 10 del Arduino es puerto B - bit "2", que es la tercera posición desde la derecha):

El valor

El valor es un numérico que indica con qué pin o con qué conjunto de pines estamos hablando.

Cada puerto está representado por un byte (8 bits); y cada pin de un puerto dado está representado por un bit. Por lo tanto disponemos de hasta 8 pins para cada operación de manipulación de puertos. En el caso del puerto B hay 8 pines que corresponden a los siguientes huecos:

Al utilizar la variable PORTx, si declaras un bit como 1, su pin asociado irá a HIGH; si declaras un bit como 0, su pin asociado irá LOW. De hecho las variables HIGH y LOW son simplemente constantes que representan 1 y 0. digitalWrite(10, HIGH), por ejemplo, en realidad significa digitalWrite(10, 1).

|= es el operador de asignación OR bit a bit de C++. Es un poco como = pero en vez de informar el valor de la variable entera, modifica bits individuales de la variable a 1. Y como cada bit representa un pin |= manda nuestros pines seleccionados a HIGH.

¿¿¿Pero con qué pines estamos hablando???

En este ejemplo solo apuntamos a un solo pin, ¿pero cuál? La tabla anterior muestra que el pin 10 del Arduino es puerto B posición 3. Entonces ¿que significa el 4 en el código PORTB |= 4?

4 es 100 en binario; por lo tanto estamos interactuando con la 3ª bit desde la derecha, que corresponde al pin 10 del Arduino.

Ahora volvemos a nuestro primer ejemplo, que manipula varios pines simultaneamente: PORTD |= 212;.

El valor 212 representa aquellos bits del puerto PORTD que queremos establecer como 1.

En binario 212 se escribe: 11010100. Los dígitos que se ven como 1 son los bits afectados. Por lo tanto, si contamos de derecha a izquierda, y teniendo en cuenta que la primera posición se anomena 0, estamos manipulando pines 2, 4, 6 y 7.

Ten en cuenta que en el puerto D hay 8 pines y de forma serendípita la numeración de los pines de Arduino corresponden a las posiciones de este puerto (la numeración de los pines del AtMega3228 -que no está alienada con la numeración del Arduino, no coincide de la misma forma).

De esta forma

    PORTD |= 212;  

equivale (en Arduino) a:

    digitalWrite(2, HIGH);
    digitalWrite(4, HIGH);
    digitalWrite(6, HIGH);
    digitalWrite(7, HIGH);  

...pero 60 veces más rápido :)

Todos los demás bits (en este caso 0, 1, 3 y 5) no están afectados.

La siguiente tabla muestra el mapeo los pines del AtMega328, el Arduino UNO, puertos y bits de registro para la manipulación de puertos. Para cada pin se ve la versión de código de manipulación de puertos para las operaciones pinMode(), digitalRead() y digitalWrite(). Puedes utilizar las opciones Mostrar operaciones como: para mostrar los valores en base decimal, hexadecimal o binario. Ten en cuenta que cada formato es simplemente una forma diferente de escribir el mismo número. A veces creo que binario es la base más intuitiva ya que un número binario (por definición) es una representación visual de los bits que estés manipulando.

Para generar el código para manipular varios pines simultaneamente haz marca las casillas en la columna combinar para cada pin que te interese. El comando estilo manipulación de puertos aparecerá automágicamente en la tabla Operaciones simultaneas en pines multiples por debajo :)