GPIOエクスパンダー

GPIOエクスパンダーは、設計者がマイクロプロセッサ(MPU)やマイクロコントローラ(MCU)システムに追加の入出力(I/O)を実装する能力を提供する装置です。MPUやMCUのI/O要件を減らす効率的なデータバスインターフェースを備えています。これは通常、SPIやI²Cのような同期シリアルインターフェースです。これにより、設計者は使用しているプロセッサデバイスで利用可能なより多くのI/Oをシステムに組み込むことができます。また、I/Oをプロセッサとは異なる場所に物理的に配置できるようにし、PCBレイアウトを容易にし信号の整合性を向上させます。

シリアルポートインターフェースは通常、データラインが少ないため選択されます。SPIには4本のデータラインがあり、I²Cは2本あります。I/Oエクスパンダーは通常8ポート以上のI/Oポートを持つため、マイクロプロセッサだけで実質的なI/Oが得られます。さらにI/Oエクスパンダーを追加すると、通常は同じバスを活用でき、システムがそれらを使用することで得られるI/Oを増やすことができます。エクスパンダーは、シリアルデータストリームを持つデバイス内部のレジスタから書き込み・読み込むソフトウェアドライバーによって制御されます。多くの場合、エクスパンダーは信号変更イベントが発生した際にプロセッサに指示するための設定可能な割り込み信号を生成できます。

GPIOエクスパンダーのもう一つの利点は、通常MPUやMCUのI/Oよりも高いドライブ能力を持つことです。これにより、LEDのような高負荷機器を駆動することも可能です。これらのデバイスの入力は、プロセッサよりも高い静電気放電(ESD)保護レベルを持ち、はるかに高い耐電圧をサポートすることもあります。一部のI/Oエクスパンダーはキーボードの不具合を除去するためにキーデバウンス回路を統合し、キーパッド配列のキー押下を評価するためのキーボードスキャンアルゴリズムを組み込むこともあります。より特殊な目的のI/Oエクスパンダーは、アプリケーションに合ったシリアルインターフェースを備えています。例えば、自動車用I/OエクスパンダーはシリアルCANバスインターフェースを持つ傾向があります。並列GPIOデバイスは存在し、並列アドレスバスおよびデータバス上にメモリマッピングされた周辺機器として配置されるよう設計されています。これらは通常、最大24ポート以上のI/O拡張数を持っています。これらは、より高速なI/Oアクセスが必要な場合やシリアルポートが利用できない場合にMPUシステムで使用されます。