前两篇教程中我们学习了LED、按键、开关的基本原理，数字输入输出的使用以及两者之间的关系。我们用到了 pin_mode 、 pin_read 和 pin_write 这三个函数，实际上它们离最底层（至少是单片机制造商允许我们接触到的最底层）就只有一步之遥了。而学单片机要是不了解一点底层，那跟Arduino玩家还有什么区别？（为防止有忠实的Arduino粉丝骂我，我得承认还是有一小部分Arduino玩家是知道本篇教程所介绍内容的。）根本不好意思说自己学过单片机好吧。这所谓的最底层，就是数字IO寄存器了。
在开始之前，你需要下载两份文档：
单片机的数据手册。官网链接极慢，我在国内平台上传了一份，在本篇教程写成之时是最新的。
开发板的原理图。本应在教程之初就放出来，但事实证明没有原理图也不影响使用。现在是肯定需要的。
等等，你可能还不知道寄存器是什么。那我们就从寄存器开始吧。
寄存器是一类CPU内部的存储器，分为通用寄存器与特殊功能寄存器（8086对特殊功能寄存器还有细分）。通用寄存器，顾名思义是通用的，可以存储操作数、运算结果、内存地址等数据，在使用C语言编程时，一般不直接接触通用寄存器，而由编译器负责安排其使用。特殊功能寄存器有特定的功能，一些作用于CPU内部，如PC存放下一条指令的地址，SP记录内存中栈顶的位置（现在无需了解这些）；另一些与IO模组相连接，单片机程序通过这类寄存器来控制各种外设，我们今天要学习的数字信号IO寄存器就属于这一类，并且应该是其中最简单的了。
我们使用的单片机的型号是ATmega324PA，它有多种封装，引脚（pin）数不尽相同，但都有32个通用输入输出（GPIO）引脚。由于AVR架构是8位字长的，CPU一次处理1位数据和8位数据所需的时间是一样的，这32个引脚被组织为4个端口（port），分别是PA、PB、PC和PD。
在AVR架构tiny与mega系列的单片机中，每个端口都有3个寄存器控制数字信号IO，分别是PORTx、DDRx和PINx。这里的x是A、B、C或D，由于这4个端口在数字IO方面完全相同，就把它们合并起来讲。相应地，对于每个引脚Pxn，有PORTxn、DDxn（没有R）和PINxn三个bit控制其数字IO。
DDxn控制引脚方向：当DDxn为1时，Pxn为输出；当DDxn为0时，Pxn为输入。
当Pxn为输入时，如果PORTxn为1，则该引脚通过一个上拉电阻连接到VCC；否则引脚悬空。
当Pxn为输出时，如果PORTxn为1，引脚输出高电平；否则输出低电平。
PINxn的值为Pxn引脚的电平。如果给PINxn写入1，PORTxn的值会翻转。
还有很多细节问题，如MCUCR寄存器中PUD位的功能、复位后寄存器的值、输入输出切换的方法、读取引脚电平的延迟、未连接引脚的处理方法等，留作今天的作业，阅读数据手册I/O-Ports一章中除Alternate Port Functions一节以外的内容（一共8页不到，不多吧），找出这些问题的答案，并以此为基础回答上一篇教程最后的问题。
讲了这么多，相信你也没记住多少，而且你也不知道去哪里用这些寄存器。
要使用寄存器，你需要在C语言程序中写 #include <avr/io.h> （在创建项目时自动生成的代码中就有），然后就可以使用 PORTA 、 DDRB 、 PINC 等寄存器了。它们是宏定义，你不必去探究它们展开后是怎样的，只需知道这些宏可以读取，可以赋值，可以位操作，就像 uint8_t 类型变量一样。
但是诸如 PORTA0 和 DDB7 等宏定义却不代表寄存器上的那一位，它们实际上就是字面值常量，如 PORTAx 的意义是寄存器 PORTA 的第x位（第0位为最低位，第7位为最高位），它的值就是x。因此，直接对这些宏复制是不正确的（不仅意义不正确，编译也不会通过）。
在开发板的库函数中的 <ee1/bit.h> 提供了包含几个用于位操作的宏函数。我们先按照手册来用，稍后来看它们是如何实现的。
我们先返璞归真一下，回到最初的例子，点亮一个LED，不过这次我们不再使用 <ee1/led.h> 提供的函数，而是直接操作寄存器。
先点亮红色LED吧。在原理图的第2页左上角，红色LED通过一个电阻连接到网络LED0，而在第1页中LED0连接的是单片机PC4引脚，因此我们需要让PC4引脚输出高电平。回到上面看一下三个寄存器的功能，输出高电平需要DDxn和PORTxn同时为1。这里把x和n分别用C和4带入，即我们要让DDC4和PORTC4为1。
将一个寄存器的一位置为1可以由 set_bit 实现。它需要两个参数，要操作的整型变量与表示第几位的整数。把DDC4置为1应该写 set_bit(DDRC, 4); ，4 可以用 DDC4 替换，这个定义就是这么用的。类似地也可以将PORTC4置为1。点亮红色LED的整个程序如下：
1 #include <avr/io.h> 2 #include <ee1/bit.h> 3 4 int main(void) 5 { 6 set_bit(DDRC , 4); 7 set_bit(PORTC, 4); 8 }
相信聪明的你已经知道闪烁和流水灯怎么写了。翻转输出电平可以使用 flip_bit(PORTC, 4); ，也可以使用 set_bit(PINC, 4); 。
下面来看数字输入。还是用第一个与按键相关的例子，让LED状态与按键保持一致，即按下亮起。
读取一个寄存器中的一位可以使用 read_bit。如果引脚上电平为高，read_bit 的运算结果非0（但不一定是布尔值1）。如果你没有忘记的话，按键按下时引脚电平为低，因此对读取引脚电平的结果取非才是按键是否按下。
在原理图中，按键一端连接在BTN0网络上，进而连接到单片机的PA4引脚。因此按键是否按下应该写为：!read_bit(PINA, 4) 。
在读取之前应该先把引脚配置为输入。尽管复位后默认为输入，在这个例子中没有必要向DDA4写0，但明确写出来可以让看这段代码的人（可能别人也可能是你自己）明白PA4是作输入的，这样做是一种良好的习惯。至于PORTA4，由于这一引脚在外部有连接上拉电阻，就没有必要启用内部上拉电阻了。
1 #include <avr/io.h> 2 #include <ee1/bit.h> 3 4 int main(void) 5 { 6 reset_bit(DDRA, 4); 7 set_bit(DDRC, 4); 8 while (1) 9 { 10 cond_bit(!read_bi