Arduino digitalRead/digitalWrite/pinModeの高速化

前回は、analogReadの高速化にチャレンジした。

今回は、digitalReadやdigitalWrite、pinModeの高速化にトライしてみる。

参考にしたもの 　Arduinoの高速化 | なんでも独り言 　Arduinoプログラムの高速化 　ポート・レジスタについての説明 | Arduino 日本語リファレンス 　ATmega168/328P-Arduino Pin Mapping | Arduino.cc (英語)

１．高速化の原理＆Arduinoのピン配置
　Arduinoのデジタル入力/デジタル出力を高速化するには、Arduinoの関数(digitalRead()など)を使わずに、
　マイコンのレジスタを直接操作することで行う。
　この際、ピン番号の指定はArduinoのピン番号ではなく、マイコンのピン名を指定しなければならない。

　Arduino UNOの場合は、ATmega328Pというマイコンを使っているので、このマイコンのピン名と
　Arduinoのピン番号の関連付けを調査した。

　
　上の図は、Arduino.ccのサイトから抜粋したものである。
　これを見ると、Arduinoのdigital pin 7はマイコンのPD7と、digital pin 13はマイコンのPB5と
　紐づいていることがわかる。


２．高速化の方法

◆digitalRead ： デジタル入力の高速化
　ポート入力レジスタ(読み取り専用)のPINxレジスタを使って、高速化する。
　PDのところを読み込みたい場合は『PIND』、PBのところを読み込みたい場合は『PINB』とする。

int val = digitalRead(7); 　　　　　　↓  int val = PIND & _BV(7);  int val = digitalRead(13); 　　　　　　↓  int val = PINB & _BV(5);

◆digitalWrite ： デジタル出力の高速化
　ポートデータレジスタであるPORTxレジスタの該当ビットへ、HIGH, LOWを直接代入することで高速化する。
　PDのところを動かしたい場合は『PORTD』、PBのところの場合は『PORTB』とする。
　HIGHの時はPORTxと_BV()の間を『|=』で括る。
　LOWの時は、PORTxと~_BV()の間を『&=』で括る。

digitalWrite(7, HIGH); 　　　　　　↓  PORTD |= _BV(7);  digitalWrite(13, LOW); 　　　　　　↓  PORTB &= ~_BV(5);

複数ピンを同時に操作する場合は、以下のようにする。

PORTD |= _BV(5) | _BV(6) | _BV(7);  PORTD &= ~(_BV(5) | _BV(6) | BV(7));

◆pinMode ： ピンモード選択の高速化
　ポート方向レジスタであるDDRxレジスタの該当ビットへ、OUTPUT, INPUTを直接セットすることで高速化する。
　PDのところを操作したい場合は『DDRD』、PBのところの操作は『DDRB』とする。
　OUTPUTの時はDDRxと_BV()の間を『|=』で括る。
　INPUTの時は、DDRxと~_BV()の間を『&=』で括る。

pinMode(7, OUTPUT); 　　　　　　↓  DDRD |= _BV(7);  pinMode(13, INPUT); 　　　　　　↓  DDRB &= ~_BV(5)

３．高速化の検証
　下記スケッチでdigitalReadの高速化の検証を行った。

void setup() {
  // シリアルポート初期化
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {

  int moji;
  // シリアルポートより、文字を1字読み込む
  moji = Serial.read();

  // 文字入力があった場合のみif関数を実行
  if(moji != -1){


    // 開始時間を記録
   unsigned long StartTime = micros();

    // 100,000回 digitalReadを実行
    for(long i=0; i<100000; i++){
      int val = digitalRead(7);
    }

    // digitalRead後の時間を記録
    unsigned long CheckTime = micros();

    // 100,000回 高速化を実行
    for(long i=0; i<100000; i++){
      int val = PIND & _BV(7);
    }

     // 高速化Read後の時間を記録
    unsigned long StopTime = micros();
    

    // 結果を出力
    Serial.print("digitalRead(100,000cyc)   = ");
    Serial.print(CheckTime - StartTime);
    Serial.println(" [us]");

    Serial.print("Speed-Up Read(100,000cyc) =  ");
    Serial.print(StopTime - CheckTime);
    Serial.println(" [us]");
  }
}

digitalRead 100,000回の実行時間は238,944[us]だったので、1回あたり2.39[us]だった。
一方、高速化して100,000回実行した結果は44,020[us]だったので、1回あたり0.44[us]となった。
レジスタから直接読み取ることで、digitalRead関数を使った時より5倍強の高速化をすることができた。