GPIO ফান্ডামেন্টাল — ইনপুট, আউটপুট, পুল-আপ, পুল-ডাউন

১ · GPIO পিন কীভাবে কাজ করে

Computer Architecture কোর্সে সাধারণ মেমরি-ম্যাপড I/O-র ধারণা কভার হয়েছে; এই কোর্সের L06-এ দেখানো হয়েছে কীভাবে একটি পেরিফেরাল রেজিস্টার মেমরি ম্যাপের একটি নির্দিষ্ট ঠিকানায় বসে। একটি GPIO (General-Purpose Input/Output) পিন এই ধারণারই সবচেয়ে মৌলিক প্রয়োগ — প্রতিটি পিনের পেছনে কয়েকটি ছোট রেজিস্টার-বিট থাকে যা নিয়ন্ত্রণ করে:

• মোড বিট — পিনটি OUTPUTOutput modeসফটওয়্যার থেকে পিনের ভোল্টেজ লেভেল (HIGH/LOW) সরাসরি নিয়ন্ত্রণ করা যায়। মোডে (সফটওয়্যার পিনের ভোল্টেজ নিয়ন্ত্রণ করে) নাকি INPUTInput modeবাইরের কোনো সিগন্যাল (সুইচ, সেন্সর) পিনের ভোল্টেজ নির্ধারণ করে; সফটওয়্যার শুধু পড়ে। মোডে (বাইরের সিগন্যাল পিনের ভোল্টেজ নির্ধারণ করে, সফটওয়্যার শুধু পড়ে) থাকবে।
• পুল-কনফিগ বিট — INPUT মোডে থাকলে, পিনের সাথে অভ্যন্তরীণ পুল-আপ, পুল-ডাউন, নাকি কোনো পুল রেজিস্টারই যুক্ত থাকবে না (ফ্লোটিং) তা ঠিক করে।
• আউটপুট ডেটা বিট — OUTPUT মোডে পিন HIGH (সাধারণত ৩.৩V/৫V) নাকি LOW (0V) হবে তা ধরে রাখে।

২ · ফ্লোটিং ইনপুট সমস্যা

যদি একটি INPUT পিন কোথাও নির্দিষ্টভাবে VCC বা GND-এর সাথে সংযুক্ত না থাকে (উদাহরণ — একটি সুইচের একটি প্রান্ত পিনে যুক্ত, কিন্তু সুইচ খোলা থাকলে পিনের আর কোনো নির্দিষ্ট পথ নেই), তখন পিনটি ফ্লোটিংFloating inputএকটি ইনপুট পিন যার সাথে VCC বা GND-এর কোনো নির্দিষ্ট, কম-রেজিস্ট্যান্স পথ নেই — তাই এর ভোল্টেজ পরিবেশগত ইলেকট্রিক্যাল নয়েজ দ্বারা নির্ধারিত হয়। থাকে। এই অবস্থায় পিনের ভোল্টেজ আশেপাশের তার, বিদ্যুৎ লাইন, এমনকি হাতের কাছাকাছি থাকার কারণে সৃষ্ট ক্যাপাসিটিভ কাপলিং-জনিত ইলেকট্রিক্যাল নয়েজ দ্বারা নির্ধারিত হয় — ফলে read() কল করলে প্রতিবার ভিন্ন, অপ্রত্যাশিত মান (0 অথবা 1) আসতে পারে। এটি কোনো সফটওয়্যার বাগ নয় — এটি একটি বাস্তব ইলেকট্রিক্যাল ঘটনা, এবং নিচের সিমুলেশন এই আচরণকেই random মডিউল দিয়ে অনুকরণ করছে।

সমাধান হলো একটি পুল-আপ বা পুল-ডাউন রেজিস্টার — একটি উচ্চ-মানের রেজিস্টার (সাধারণত কয়েক kΩ থেকে ~১০০kΩ, ইলাস্ট্রেটিভ রেঞ্জ) যা পিনকে VCC (পুল-আপ) বা GND (পুল-ডাউন)-এর সাথে দুর্বলভাবে যুক্ত রাখে। কোনো বাহ্যিক সিগন্যাল (যেমন একটি চাপা বাটন) সক্রিয় না থাকলে পিন এই ডিফল্ট অবস্থাতেই স্থির থাকে; বাটন চাপলে সেই দুর্বল রেজিস্টারকে "ওভাররাইড" করে পিনকে বিপরীত অবস্থায় টেনে নেয়। রেজিস্ট্যান্স উচ্চ রাখা হয় যাতে বাটন চাপলে খুব বেশি কারেন্ট না প্রবাহিত হয়, কিন্তু যথেষ্ট কম রাখা হয় যাতে একটি স্পষ্ট, নির্ভরযোগ্য লজিক লেভেল তৈরি হয়।

import random

class GpioPin:
    # একটি GPIO পিনকে মোড, পুল-কনফিগ ও রেজিস্টার-স্টাইল স্টেট দিয়ে মডেল করা হচ্ছে
    def __init__(self, name):
        self.name = name
        self.mode = "INPUT"      # "INPUT" অথবা "OUTPUT"
        self.pull = "NONE"       # "NONE", "PULL_UP", "PULL_DOWN"
        self.output_level = 0
        self._rng = random.Random(42)   # ফিক্সড সিড -- রিপ্রোডিউসিবল "নয়েজ"

    def set_mode(self, mode, pull="NONE"):
        self.mode = mode
        self.pull = pull

    def write(self, level):
        if self.mode != "OUTPUT":
            raise RuntimeError(f"{self.name} OUTPUT মোডে নেই, write() করা যাবে না")
        self.output_level = 1 if level else 0

    def read(self):
        if self.mode == "OUTPUT":
            return self.output_level
        # INPUT মোড -- বাস্তব হার্ডওয়্যারের আচরণ সিমুলেট করা হচ্ছে
        if self.pull == "PULL_UP":
            return 1
        if self.pull == "PULL_DOWN":
            return 0
        # কোনো পুল নেই -> ফ্লোটিং পিন -> ইলেকট্রিক্যাল নয়েজ র‍্যান্ডম রিডিং দেয়
        return self._rng.randint(0, 1)


TRIALS = 10

floating_pin = GpioPin("PA0")
floating_pin.set_mode("INPUT", pull="NONE")
floating_readings = [floating_pin.read() for _ in range(TRIALS)]

pullup_pin = GpioPin("PA1")
pullup_pin.set_mode("INPUT", pull="PULL_UP")
pullup_readings = [pullup_pin.read() for _ in range(TRIALS)]

print(f"ফ্লোটিং ইনপুট পিনের {TRIALS}টি রিডিং: {floating_readings}")
print(f"  -> আলাদা মানের সংখ্যা: {len(set(floating_readings))}")

print(f"পুল-আপ ইনপুট পিনের {TRIALS}টি রিডিং: {pullup_readings}")
print(f"  -> আলাদা মানের সংখ্যা: {len(set(pullup_readings))}")

out_pin = GpioPin("PA2")
out_pin.set_mode("OUTPUT")
out_pin.write(1)
print(f"\nআউটপুট পিন write(1) -> read() ফেরত দিলো: {out_pin.read()}")
out_pin.write(0)
print(f"আউটপুট পিন write(0) -> read() ফেরত দিলো: {out_pin.read()}")