GPIOとピン多重化

1本のピンに詰め込まれた回路

マイコンのデータシートでピン配置を見ると、PA9 のような1つのピンに USART1_TX / TIM1_CH2 / GPIO などと複数の機能が併記されています。ピン数は数十本しかないのに、内蔵ペリフェラルは何十個もある——この矛盾を解くのが GPIO（汎用入出力）とピン多重化 です。1本の物理パッドの内側には、入力を読むためのバッファ、外へ電圧を出す出力ドライバ、High/Low に引き込むプル抵抗が同居しており、さらにその出口を「GPIOレジスタ」につなぐか「どれかのペリフェラル」につなぐかを選ぶセレクタが入っています。

CPU から見れば、これらの構成はすべてメモリマップドレジスタ（詳細は /embedded/memory-mapped-io/）のビットで制御されます。ピンごとに「入力か出力か」「プル抵抗をどうするか」「GPIOか第n機能か」を設定するレジスタが並び、その組み合わせで1本のパッドの振る舞いが決まります。まずは入出力モードから、内部で何が起きているかを追います。

入力モードと出力モード

入力モード では、パッドの電圧を シュミットトリガ入力バッファ が読み取り、しきい値を境に 0/1 のデジタル値へ変換して入力データレジスタ（IDR）に反映します。シュミットトリガはヒステリシス（立ち上がりと立ち下がりで別のしきい値）を持ち、緩やかに変化する信号やノイズが乗った信号でチャタリングするのを防ぎます。このとき出力ドライバは切り離されており、ピンは基本的にハイインピーダンス（外から見て高抵抗）です。

出力モード では、出力データレジスタ（ODR）に書いた値を出力ドライバがパッドへ駆動します。ドライバには2つの方式があります。

プッシュプルは上下2つのトランジスタで 0 と 1 の両方を能動的に押し引きするため応答が速く、LED 駆動や単純な信号出力の既定です。対してオープンドレインは Low に引く N-MOS だけを持ち、High 側は「何もしない（開放）」状態になります。

プルアップ／プルダウンとオープンドレイン

入力ピンをどこにもつながずに放置すると、パッドは宙に浮いた フローティング 状態になり、周囲のノイズを拾って 0/1 がランダムに揺れます。これを防ぐのが内蔵の プルアップ抵抗（VDD へ弱く引く）と プルダウン抵抗（GND へ弱く引く）です。ボタンやスイッチの読み取りでは、押されていないときの既定値を確定させるために必ずどちらかを有効にします。抵抗値は数十kΩ程度と大きく、能動ドライバに比べれば「弱い」引き込みなので、外部から強く駆動されればそちらが勝ちます。

オープンドレイン出力とプルアップの組み合わせは、単なる選択肢ではなく特定の回路構成で必須になります。複数のデバイスが1本の線を共有し、誰かが Low に引けば線全体が Low、誰も引かなければプルアップで High——という ワイヤードAND（論理積） を作れるのはオープンドレインだけです。プッシュプル同士を同じ線につなぐと、一方が High を、他方が Low を出した瞬間に VDD から GND へ貫通電流が流れ、素子が壊れます。I2C の SDA/SCL がオープンドレイン必須なのはこのためで、詳細は /embedded/bus-i2c-spi-uart/ で扱っています。異なる電源電圧のデバイス間をつなぐレベル変換にも、オープンドレイン＋目標電圧へのプルアップがよく使われます。

ピン多重化（オルタネート機能）

ここからが本題のピン多重化です。1本のパッドを、GPIOロジックにつなぐか、UART・SPI・タイマといった特定ペリフェラルの信号につなぐかを選ぶ マルチプレクサ（セレクタ） が、パッドとペリフェラルの間に挟まっています。この「GPIO以外の機能」を オルタネート機能（Alternate Function, AF） と呼びます。

STM32 の Cortex-M を例にすると、ピンの役割は2段構えで決まります。まずモードレジスタ（MODER）で各ピンを「入力／出力／アナログ／オルタネート機能」のいずれかに設定し、オルタネート機能を選んだピンについては、さらにオルタネート機能選択レジスタ（AFR、AFRL/AFRH の2本で16ピン分）に 0〜15 の番号を書いて どのペリフェラルに割り当てるか を指定します。

1本のパッドにぶら下がる多重化の構造（概念図）:

              ┌──────────── GPIO 出力(ODR) ─────┐
   ペリフェラルA(USART_TX) ─┐                    │
   ペリフェラルB(TIM_CH)  ──┤                    ▼
   ペリフェラルC(SPI_MOSI)──┤ MUX ──▶ 出力ドライバ ──▶ [PAD] ──▶ 外部
                            ▲                          │
              AFR/MODER で選択                         ▼
                                            入力バッファ ──▶ GPIO入力(IDR)
                                                        └─▶ 各ペリフェラルの入力へ

/* STM32: PA9 を USART1_TX（AF7）に割り当てる例（概念コード） */
GPIOA->MODER  &= ~(3u << (9 * 2));      /* PA9 のモードビットをクリア */
GPIOA->MODER  |=  (2u << (9 * 2));      /* 10b = オルタネート機能モード */
GPIOA->AFR[1] &= ~(0xFu << ((9 - 8) * 4)); /* AFRH の PA9 用4ビットをクリア */
GPIOA->AFR[1] |=  (0x7u << ((9 - 8) * 4)); /* AF7 = USART1 を選択 */

重要なのは、1本のパッドが同時につながれるのは1つの機能だけ という点です。ある番号のペリフェラルに割り当てると、そのピンはもう GPIO としては使えません。しかも各ペリフェラル信号は「このピン群のこの番号でしか出せない」と固定されているため、基板設計では「使いたいペリフェラルの組み合わせが、ピンの多重化表の上で衝突しないか」を事前に検証する必要があります。TX と別機能を同じピンに要求してしまうと、どちらかを諦めるかピン割り当てを組み直すことになります。

ドライブ強度とスルーレート

出力モードの最後の調整項目が ドライブ強度 と スルーレート です。ドライブ強度（駆動能力）は出力トランジスタが流せる電流の大きさで、大きいほど重い容量負荷や低いプルアップを速く駆動できます。スルーレート（出力の傾き、単位は V/秒）は、出力が Low から High へ（またはその逆へ）遷移する際の電圧変化の速さです。多くのマイコンは出力速度レジスタ（OSPEEDR 等）でこれらを数段階に設定できます。

この2つは「速く・強くすれば良い」わけではなく、明確なトレードオフを持ちます。

エッジが急峻なほど信号に含まれる高周波成分が増え、配線の寄生インダクタンスと容量が共振して波形が跳ねる リンギング や、放射ノイズ（EMI）が悪化します。そのため定石は、その信号が必要とする速度ちょうどに設定する ことです。数十MHz の SPI クロックには高いドライブ強度と速いスルーレートを与え、ゆっくり点滅させる LED やまれにしか変化しない制御線には最も遅い設定を選びます。過剰なドライブ強度は、性能を上げるどころかノイズ問題を自ら作り込む原因になります。

まとめ

• GPIOピンは1本のパッドに入力バッファ・出力ドライバ・プル抵抗が同居し、モードレジスタでどれを有効化するかを切り替える。入力はシュミットトリガで読み、出力はプッシュプルかオープンドレインで駆動する。
• プルアップ／プルダウンは入力の既定値を確定させてフローティングを防ぐ弱い引き込み。オープンドレイン＋プルアップはワイヤードANDを作れる唯一の方式で、I2C のようなバス共有やレベル変換に必須。
• **ピン多重化（オルタネート機能）**は、1本のパッドをGPIOか複数ペリフェラルのどれに接続するかを選ぶマルチプレクサ。MODER でモードを、AFR で割り当て先番号を指定し、限られたピンを機能で共有する。同時に有効化できる機能は1つだけなので、設計初期にピン競合を解いておく。
• ドライブ強度（駆動能力）とスルーレート（エッジの傾き）は、速く強くするほど重い負荷を速く駆動できる反面、リンギングとEMIが増える。信号が要求する速度ちょうどに設定するのが定石で、過剰設定はノイズ問題を自ら招く。