[ATmega328P] 레지스터: I/O 주소와 데이터 주소 이해하기

MCU 프로그래밍을 할 때 데이터시트를 보면 같은 레지스터에 두 가지 주소가 붙어있는 걸 볼 수 있다. 

하나는 I/O 주소, 다른 하나는 데이터 주소다.

 

출처: ATmega328P [DATASHEET] 7810D–AVR–01/15

I/O 주소

ATmega328P에는 64바이트짜리 작은 공간이 있다.

여기에 PORTB, DDRB, PINB 같은 하드웨어 제어 레지스터가 배치돼 있다.

이 공간의 주소를 I/O 주소라고 부른다.
이 영역은 CPU의 특수 명령어 IN, OUT, SBI, CBI 같은 걸로 접근할 수 있다.
장점은 빠르다는 것. 1클럭에 입출력을 처리할 수 있다.

 

데이터 주소

동시에, 똑같은 레지스터들이 SRAM 공간에도 매핑돼 있다.

이게 데이터 주소다.
예를 들어 PORTB의 경우:

• I/O 주소: 0x05
• 데이터 주소: 0x25

데이터 주소로 접근할 때는 LDS, STS 같은 일반 메모리 명령이 사용된다.

접근 속도는 2클럭 이상으로 조금 느리다.

장점은 C 언어에서 포인터로 접근할 수 있다는 것이다.

 

C 코드와 매크로

C 언어는 기본적으로 하드웨어 레지스터 개념이 없으므로, AVR 헤더 파일에서는 이런 매크로를 만들어둔다.

#define PORTB (*(volatile uint8_t *)0x25)
#define DDRB  (*(volatile uint8_t *)0x24)

• 0x25는 PORTB 데이터 주소
• (volatile uint8_t *)0x25는 이 주소를 가리키는 포인터
• * 연산으로 역참조해서 실제 레지스터에 접근
• volatile은 컴파일러 최적화를 막아 항상 실제 하드웨어와 읽기/쓰기를 보장

이렇게 정의해두면 C 코드에서 PORTB를 변수처럼 쓸 수 있다.

 

코드 예시

#include <avr/io.h>

int main(void) {
    DDRB |= (1 << 5);   // PB5를 출력으로 설정
    PORTB |= (1 << 5);  // PB5 핀 HIGH
    while (1) {}
}

 

풀어 쓰면 아래와 같은 것이다. 

(*(volatile uint8_t *)0x24) |= (1 << 5); // DDRB
(*(volatile uint8_t *)0x25) |= (1 << 5); // PORTB

 

결국 같은 하드웨어 레지스터가 I/O 주소와 데이터 주소 두 군데에서 동시에 보이는 셈이다.

C 언어는 데이터 주소를 쓰고, 컴파일러는 이를 보고 I/O 명령으로 최적화한다.

 

구조체로 묶어 쓰기

여러 레지스터를 구조체로 묶어 표현할 수도 있다.

typedef struct {
    volatile uint8_t PINB;
    volatile uint8_t DDRB;
    volatile uint8_t PORTB;
} PortB_Regs;

#define PORTB_REGS (*(PortB_Regs *)0x23)

int main(void) {
    PORTB_REGS.DDRB |= (1 << 5);
    PORTB_REGS.PORTB |= (1 << 5);
    while (1) {}
}

 

여기서는 0x23이 PINB의 데이터 주소이므로 구조체 기준 주소로 잡고, 이후 멤버 오프셋을 통해 DDRB(+1), PORTB(+2)에 접근한다.

 

정리하기

• I/O 주소: MCU 내부 전용 빠른 접근 주소. 직접 포인터로 다룰 수 없음.
• 데이터 주소: SRAM 공간에 매핑된 주소. C 코드에서 포인터/구조체로 다룰 수 있음.
• C 헤더는 데이터 주소를 매크로로 정의해놓고, 컴파일러가 자동으로 빠른 I/O 접근으로 최적화한다.

결국 프로그래머 입장에서는 그냥 PORTB, DDRB를 변수처럼 쓰면 된다.

내부적으로는 두 주소 체계가 동시에 존재하고, 덕분에 빠른 접근성과 C 언어 호환성을 모두 얻을 수 있는 구조다.