寫PC程式的可能不需要知道這些東西，但是做embedded system的工程師們，一定會碰到基本的i/o需求，尤其是現在的embedded system許多都有複雜的作業系統在內，已經不是硬體工程師用硬幹的方式就ok，所以都需要專業的軟體工程師完成。

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從使用高功率元件刻出110V的電源波形，到最簡單的LED點燈，都是用I/O完成，有時想到以前學校計算機課程的【跑馬燈】，真的感覺那個沒用的爛課程真是不知道害死了多少人，學生就好像屍鬼一樣，依法師指令做動作，下了課後一大半的人不知道在幹什麼，我看連助教自己也不知道自己在幹什麼？然後每個學生都被冠上”混”的罪名，很冤枉！

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現在的CPU不只程式區(flash)可以動態寫入，連各種內部功能都可以使用tool來動態配置，I/O port也可以動態設定成i/o mode、open drain、floating等特性，這些特性是什麼東西一定要知道，不然做出來的東西一定是問題百出。

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上圖是典型的i/o port，同樣的圖在各種cpu的I/O說明章節應該都會有，但這張圖我已經把它更簡化，一些控制訊號已經移除，例如DFF(D flip-flop)好幾根腳都已經不見，這類的圖一定要看的懂，因為它是該功能的設計概念，每顆cpu概念都不同，都是由一些很厲害的人設計出來的，不要直覺都是一樣的東西，直覺的毛病不只在228、林宅血案、白色恐怖或是某些古文等地方有，其實做這些設計也是常常有這種問題，不然就不會聽到工程師們喊：【完了！怎麼會這樣~~~】，說實話，其實我也有一樣的毛病。

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DFF閘基本上可以把值存在裡面，除非某些控制腳動作，否則input端無論怎麼動作都不會影響到output值。

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BUF(buffer)只是一個概念性的名詞，有各種buffer可供使用，但基本上就是輸入等於輸出，問題來了，既然輸入等於輸出，那直接接起來就好了，幹麻多此一舉？這個問題不只軟體有，有的硬體工程師也搞不清楚這個問題。

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Buffer通常與隔絕、改變電流推力、IO(open drain,電壓位準變換等)、時序等原因有關，其中隔絕有時只是單純隔絕，有時是改變線路路徑，有時是阻抗匹配（其實這才是真正原因），所以buffer元件的設計不容易，需要知道很基礎的物理變化，尤其是一些很奇怪的buffer，是硬功夫。

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BJT（電晶體）是NPN，MOS是N-Type MOSFET，簡稱NMOS，這裡只講最簡單的操作，就是當成開關，BJT的B極設成high，CE路徑會導通，同時BE路徑的電壓差=0.7V，反之關閉；NMOS是G極high，DS路徑會導通。注意這裡我改用high/low，是對軟體說明概略功能的權宜之計，但是硬體就要搞清楚元件特性，什麼是電流控制？什麼是電壓控制？甚至是細項的參數，我以前就看過好幾個人，竟然會直接在BJT的B極用5V/0V控制，BJT燙翻天還不知道為什麼？

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MOS與BJT是重要的基礎元件，有空了解一下【電流控制電流源】與【電壓控制電流源】有什麼不同？數位類比都可以用這些東西完成，很了不起的發明。

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電阻是限電流元件，”歐姆”這個人發現電壓與電流會呈現某種比例關係，關係式是V=IR，他當時提出電阻的概念時，被許多人恥笑，還覺得他瘋了，也排擠他，結果這個瘋子觀念成為了近一百多年來最重要的觀念之ㄧ，為了紀念他，電阻的單位便命名為”歐姆”。

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以上元件的敘述只是簡略的提到，詳細內容除了可以參考電子學外，最重要的是有機會可以請教IC設計與元件廠的前輩們，才能獲得正確且詳細的解答。

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簡單的元件說明結束後，就要提到重點了，圖中，P1.0（PORT_1的BIT 0）腳位用程式設為high後，電晶體=ON，LED便會點亮，程式為：

    P1.0 = 1;   // LED ON

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問題是正常的產品不會只有一顆LED，IO腳也絕對會是東接一個，西接一個，有的人會寫一個driver，可以做出各種bit的設定，例如：

    Void PortSet(UINT mask, UINT value);

    PortSet(0x6, 0x2); //只變更bit1,2，並設定bit1=1,bit2=0

    0x6=00000110  0x2=00000010，這個function的功能是只動作mask中該bit值為1的bit，其餘不變，然後把value設定進該bit的位置。

        很方便，這種程式內容通常會有：

    void PortSet(UINT mask, UINT value)

    {

        UINT Tmp;

        Tmp = P1 & ~mask; // clear specified bits

        value &= mask;

        P1 = Tmp | value;

        ……

    }

        可是問題來了，記不記得LED點亮了，bit0=1，可是該腳位因為電晶體特性，雖然是邏輯high，但是電壓=0.7V，這樣的電壓在邏輯上=LOW，所以當執行：

        Tmp = P1 & ~mask;

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        P1.0被讀入，回頭看圖，【讀取的路徑是走BUF那條路(READ BUS:A) 】，結果邏輯是LOW，下一行指令回寫回P1時bit0就被誤改了，LED從此熄滅，這種問題很麻煩，因為當發展程式時通常都是軟體工程師用測試板發展，只要這個板子不接成上述的電路，根本不會有這個問題，因為程式太簡單，這個driver就會理所當然的被視為穩定，當放上產品時，只會在整個程式執行到上述巧合時出現問題。

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        如果今天是linux的程式，雖然上述driver很簡單，也會被寫為囉唆的樣子，所以硬體工程師要看懂就難了，軟體又不懂這個東西，當出問題時又分段debug，分段時上述巧合便不一定會出現，因為linux在ARM上運行的程式，debug方式通常都是用送出message的方式完成，不會單步執行，更增加了debug的難度。

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        所以cpu指令會特別強調位元操作指令（bit manipulation），位元指令在執行位元變更時也是會執行讀取的動作，但不同的地方是會讀DFF的輸出點，就是【READ BUS:B的路徑】，所以要很熟悉如何在C語言中表達出位元指令，有的compiler會用#progma來表達，有的會用一些內插組合語言的方法表達等等，都不太相同，一般來說，下列的寫法很可能會被compiler翻成位元指令，注意只是可能，一定要在list檔內再度確認結果，要注意如果該cpu根本沒有這樣的位元指令，那就要想別的方法了。

        P1 &= ~mask;

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        問題又來了，雖然結果正確，但是該IO腳位原本是high，結果被上述指令設為low，如果我們又把它再度設定為high，那這種行為就會產生不需要的low pulse，LED是看不出有什麼問題，可是如果是做一些通訊協定，那就要造成誤動作了，所以driver是不可以這樣寫了。

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        比較理想的是

    void PortSet(UINT mask, UINT value)

    {

        static UINT Tmp = 0;

        Tmp &= ~mask; // clear specified bits

        value &= mask;

        Tmp |= value;

        P1  = Tmp;

        ……

    }

        注意static等同global的效果，只是只能被這個function看見，把P1的值永久存在記憶體內，對這個值運作再設進P1就沒有問題了，千萬要注意該function不可以被遞迴呼叫，也不可以被同時執行，一定要做一些critical section或是mutex的預防才會正常執行，以上提到的只是一個概念，並不是說這樣的程式碼是比較好的，例如需要超快的執行，上述方法就不管用，要依據專案特性來設計才是。