🛠 Manipulation directe des registres PORT : le bit-banging à 16 MHz

Objectifs

digitalWrite est pratique mais lent sur un AVR 8 bits : une dizaine de cycles par appel, soit un créneau limité à quelques dizaines de kHz. Pour piloter des neopixels, un affichage multiplexé ou un protocole maison, on descend au niveau des registres : DDRx, PORTx, PINx. La table de correspondance officielle broches Arduino ↔ bits de port (PinMapping168) est votre carte de navigation. Vous allez générer un créneau mesurable à l'oscilloscope et écrire dans un port entier d'un seul coup d'écriture.

Matériel

• 1 Arduino Duemilanove (ATmega328)
• 1 oscilloscope ou analyseur logique (sinon, un compteur fréquence-mètre sur la broche)
• Pas de câblage nécessaire : la LED de la broche 13 sert de charge visible

Code complet

// Carre rapide sur la broche 13 = PORTB bit 5 (voir PinMapping168)
// Broches 8..13 = PORTB bits 0..5 ; broches 0..7 = PORTD bits 0..7 ;
// broches analogiques A0..A5 = PORTC bits 0..5.

void setup {
  DDRB |= (1 << DDB5);      // broche 13 en sortie (registre DDR du port B)
  // Equivalence : pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop {
  noInterrupts;           // le timer0 du millis perturbe les mesures
  PORTB |=  (1 << PORTB5);  // broche 13 a 1  -> 1 cycle CPU
  PORTB &= ~(1 << PORTB5);  // broche 13 a 0  -> 1 cycle CPU
  // NB : |= et &= font 2 ecritures ; en assembleur, sbi/cbi font 1 cycle.
  interrupts;
}

Écrire 8 LED d'un coup : PORTD = B10101010; place les broches 0–7 dans l'état voulu en une seule instruction (attention : les broches 0/1 sont la liaison série FTDI — ne pas casser le moniteur en plein téléversement).

Vérification attendue

À l'oscilloscope sur la broche 13, un créneau dont la période se compte en centaines de nanosecondes (les boucles C tournent autour de ~1–2 MHz de commutation, bien plus avec sbi/cbi en assembleur) — contre ~50 kHz maximum avec digitalWrite. La LED 13 reste faiblement allumée (PWM naturel par rapport de service). Le test « une écriture, 8 LED » fait basculer tout un port simultanément.

Erreurs fréquentes

• Écrire dans PORTD sans réfléchir : les bits 0 et 1 sont RX/TX vers la FTDI ; un PORTD = 0 intempestif casse le moniteur série et peut gêner le téléversement.
• Oublier DDRx : écrire dans PORTx sans avoir mis la broche en sortie ne pilote rien (ou active juste le pull-up interne, PORTx=1 en entrée).
• Confondre PORTx et PINx : lire l'état réel des broches passe par PINx ; lire PORTx relit la consigne de sortie.
• Modifier un port partagé en lecture-modification-écriture dans une interruption : risque de race condition avec le code principal ; utiliser les bits atomiques (sbi/cbi) ou couper les interruptions.
• Oublier que millis tourne via le timer0 : les interruptions de 1 ms ajoutent du jitter aux mesures de fréquence — d'où noInterrupts pendant la mesure.
• Utiliser les registres sur une puce 168 en croyant aux mêmes broches : la correspondance est identique pour les broches standard, mais la SRAM (1 Ko) et la flash (14 336 octets) limitent vite les gros tableaux de tables.
• Vérifier avec un multimètre : à ces fréquences il affiche une tension moyenne trompeuse — il faut l'oscilloscope.