Прямая работа с портами: PORTB/PINB вместо digitalWrite

На гаражных воротах у меня висели шесть герконовых концевиков, и статус створок я собирал пачкой digitalRead: шесть вызовов подряд, каждый — около пяти микросекунд, между первым и последним чтением разбег набирал почти сорок микросекунд. Для глаз — пустяк. Но журнал событий однажды напечатал строку, где две створки отметились в одной записи, хотя физически щёлкнули с разницей в полминуты: два чтения попали на разные стороны смены уровня, и байт статуса склеился из двух кадров времени. Никто не сломался, никто не упал — просто карта ворот начала врать, а врать она может тихо и годами.

Вторая половина той же истории — цена. Полдюжины вызовов digitalRead съедали заметный кусок кадра опроса, и в нём переставал успевать соседний код. На форуме я встретил чужой скетч, где вся гребёнка входов читалась одной строкой: vse = PIND — и честно не поверил, что это заменяет восемь строк.

В этом уроке — сторона входа прямой работы с портами: PINx читает весь порт одной командой, маска отсекает занятые биты, инверсия через XOR переворачивает подтянутые входы, а цифры выигрыша меряем руками, а не по ощущениям. Три регистра и карту «какой пин каким битом сидит» я уже раскладывал в уроке про PORTB и DDRB — там про запись; здесь про чтение, где правила свои.

У каждого порта, кроме регистров направления и уровня, есть входное окно — PINx. Чтение PIND возвращает уровни всех восьми бит в один такт: это снимок, а не очередь из восьми опросов. digitalRead ходит в ту же память по одному пину, но перед этим лезет в таблицу соответствий и проверяет режимы — отсюда десятки тактов на вызов: в старых ядрах мерили около сотни, свежее ядро ужало примерно до пятидесяти, мой замер по меткам micros() стабильно показывал около пяти микросекунд. Чтение PINx — два такта, 125 нс на 16 МГц: выигрыш в десятки раз, и это без всяких библиотек.

Скорость — половина выгоды. Вторая — атомарность. Восемь digitalRead подряд разбегаются на 30-40 мкс, и если фронт прилетел посреди пачки, байт собирается из двух моментов времени: половина бит — до смены, половина — после. PINx такого не умеет физически: снимок сделан в одном такте, промежуточных состояний не существует. Для статуса, который уезжает в Serial, EEPROM или радио одной записью, это разница между журналом и враньём: пакет с наполовину устаревшими битами неотличим от честного.

Теперь маска. На порт D у Uno всегда один квартирант: биты PD0 и PD1 держит USB-приёмопередатчик, через который живёт Serial. Читать PIND без маски — значит тащить в свою карту чужие биты; на записи это глушит монитор порта, на чтении — тише и потому хуже: ничего не ломается, показания просто подмешиваются. Вторая поправка — подтяжка: входы с INPUT_PULLUP держат HIGH, а замкнутый контакт роняет линию в ноль, то есть нажатие читается как 0. Переворачивать нужно только свои биты — и для этого берём XOR с маской, а не тильду.

Разбор по строкам. DDRD &= ~MASKA и PORTD |= MASKA задают направление и подтяжку на все шесть бит одной строкой каждая — pinMode пришлось бы вызывать шесть раз. Чтение vhod = PIND ^ MASKA: XOR с маской переворачивает только свои шесть бит, чужие два остаются как были. Вот почему не тильда: vhod = ~PIND перевернул бы все восемь бит, и в карту попали бы уровни RX/TX — в моменты обмена по Serial там скачет мусор, и в журнале ворот «открывается» несуществующая калитка. XOR режет по маске, и потому операция инверсии безопасна на разделённом порту.

В замере — два приёма, которые стоит унести с собой. Первый: (PIND >> 2) & 1 вырезает один бит из байта — сдвиг опускает нужный бит на нулевую позицию, маска срезает соседей; вся механика масок собрана в уроке про побитовые операции, здесь она работает на регистре. Второй: сумма summa печатается в конец setup не для красоты. Цикл, чей результат никто не использует, компилятор имеет право выкинуть целиком — и оба замера обнулятся. Побочный результат — страховка честности.

Цифры на моём Uno: пачка из десяти тысяч digitalRead — около пятидесяти миллисекунд, те же десять тысяч чтений через PIND — единицы микросекунд. Ваши числа будут другими: они зависят от версии ядра и оптимизации, и в этом смысл методики — замерять у себя, а не цитировать чужое. Отдельно про вывод байта: Serial.print(vhod, BIN) печатает без ведущих нулей, и строка для 0b00000101 выглядит как 101 — поэтому в скетче байт печатается побитно, циклом от старшего бита к младшему; механика второго аргумента и ведущих нулей разобрана в уроке про BIN, HEX и DEC.

Окупается порт там, где расписание меряется тактами. Программные шины — one-wire, бит-бэнг дисплеев, свой протокол на двух проводах: там каждая микросекунда расписана, и digitalRead ломает тайминг самим фактом вызова. Мультиплексная индикация, где кадр делится между строками, — та же история: чем короче опрос входов, тем больше кадра остаётся индикации. И гребёнки однотипных концевиков, чей статус едет наружу одним пакетом: байт из одного чтения сразу живёт в журнале целиком. Тот же принцип «целый кадр одной операцией» у соседнего чипа — в уроке про 74HC595 через аппаратный SPI, а регистры АЦП, ужимающие analogRead со ста микросекунд до пары десятков, разобраны в уроке про быстрый АЦП.

Не окупается — на одиночной кнопке в спокойном скетче. Одна digitalRead на оборот loop() на фоне delay(1000) не стоит ничего, и строка if (digitalRead(PIN_BTN) == LOW) читается всеми, включая вас через год. Мой водораздел простой: порт целиком читай, когда биты ты назначил сам и их восемь или почти восемь; всё, что делит порт с чужими функциями, — только через маску в каждой операции. Порт D на Uno почти всегда делёнка — Serial живёт там постоянно, и это правило для него не отменяется никогда. Одиночные кнопки остаются в digitalRead, как в уроке про кнопку и digitalRead, — читаемость дороже наносекунд, которых никто не мерил.

И последняя граница: переносимость. Запись PIND привязана к карте портов ATmega328P; на Mega те же кнопки окажутся в другом регистре, и скетч поедет только после правки адресов. Прячьте чтение в функцию с именем по смыслу — vhodyVorot() возвращает байт статуса — и голый регистр будет жить в одном месте файла, а не в каждом if.

Три задания на закрепление. Первое: перенесите карту ворот на PORTB — шесть концевиков на D8-D13, биты PB0-PB5, чтение PINB с маской 0b00111111, и убедитесь, что скетч правится одной заменой констант. Второе: печатайте строку статуса только при смене байта — храните прошлый кадр в переменной prev и сравнивайте; Serial перестанет молотить в пустоту. Третье, тетрадное: посчитайте такты кадра из восьми digitalRead против одного чтения PIND при 16 МГц и переведите разницу в микросекунды — после этого числа из урока перестанут быть цитатами.

И четвёртое, на переносимость: заверните чтение в функцию byte vhodyVorot() с маской внутри и уберите регистр из loop() совсем. Через месяц добавьте на Mega вторую группу концевиков — и посмотрите, сколько строк пришлось править: всё отличие между «регистр в одном месте» и «регистр в каждом условии».