INPUT | INPUT_PULLUP | OUTPUT の解説と実装リファレンス

本ドキュメントでは、ArduinoフレームワークにおけるGPIO（General Purpose Input/Output）の動作モードを定義する3つの定数（INPUT, INPUT_PULLUP, OUTPUT）について、電気的特性およびハードウェアレベルでの挙動を含めた詳細な技術解説を行う。

この記事の目次

【概要】
【仕様】
【技術的特徴】
【注意点】
【サンプルコード】
【活用例】

【概要】

これらの定数は、pinMode(pin, mode) 関数に引数として渡されるものであり、指定したGPIOピンのデータ方向（Data Direction）および内部プルアップ抵抗の有効状態を制御する。これらはマイクロコントローラのGPIOレジスタを操作し、ピンを「入力を受け付ける状態」にするか「出力を駆動する状態」にするかを決定する。

【仕様】

データ型: uint8_t または内部的な列挙型（定義により異なる）
初期状態: Arduinoボードの初期状態は、多くの場合すべてのピンが INPUT 状態として初期化される。

【技術的特徴】

1. INPUT（高インピーダンス）

ピンをハイインピーダンス（High-Impedance）状態に設定する。この状態では、ピンは電気的に「浮いた（Floating）」状態となり、外部から電圧が供給されない限り、ノイズの影響を非常に受けやすくなる。正確な電圧を読み取るためには、外部のプルアップ抵抗またはプルダウン抵抗が必要となる。

2. INPUT_PULLUP（内部プルアップ）

マイクロコントローラ内部の抵抗（一般に20kΩ〜50kΩ程度）を有効化する。これにより、外部信号がない状態ではピンを論理「HIGH」に固定する。スイッチを接続する際、スイッチが押されていない時はHIGH、押された時にGNDに接続されることでLOWになる、という構成を外部抵抗なしで実現可能にする。

3. OUTPUT（低インピーダンス駆動）

ピンを低インピーダンス状態にし、マイクロコントローラの出力ドライバを有効にする。digitalWrite() 関数によって、ピンを特定の電圧レベル（VCCまたはGND）に強制的に駆動する。このとき、ピンは電流を供給または吸収する能力を持つ。

【注意点】

フローティング状態の危険性: INPUT モードで外部抵抗を接続せずに配線を放置すると、ADC（アナログ・デジタル変換）やデジタル入力において不安定な挙動を引き起こす。設計意図に合致しないノイズを拾う原因となる。
内部プルアップの強さ: 内部プルアップ抵抗は比較的高抵抗であるため、高速な信号伝送や大きな容量の負荷を駆動する用途には適さない。信号の立ち上がり時間が鈍くなる可能性がある。
電流制限: OUTPUT モード時、各ピンが許容できる最大電流（例：Arduino Unoでは約20mA〜40mA）を超えないように設計すること。過電流はMCUのGPIOポートを破壊する原因となる。
ショートの防止: OUTPUT モードでHIGHを出力している間に、外部回路を誤ってGNDに短絡させると、過大な電流が流れポートを破損する。必ず電流制限抵抗を挿入すること。

【サンプルコード】

以下に、INPUT_PULLUP を用いたボタン入力と、OUTPUT を用いたLED点灯の基本的な実装を示す。

// ピン定義
const int BUTTON_PIN = 2;  // INPUT_PULLUP を使用
const int LED_PIN = 13;     // OUTPUT を使用

void setup() {
  // ボタンピンを内部プルアップ有効の入力に設定
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
  // LEDピンを出力に設定
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  // ボタンの状態を読み取る（押すとLOW、離すとHIGH）
  int buttonState = digitalRead(BUTTON_PIN);

  if (buttonState == LOW) {
    // ボタンが押されている（GNDに接続されている）
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  } else {
    // ボタンが離されている（内部プルアップによりHIGH）
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  }
}

【活用例】

プッシュボタンの入力: INPUT_PULLUP を使用することで、配線を簡素化（ボタンの両端を「ピン」と「GND」に接続するだけ）しつつ、信頼性の高い入力を取得できる。
状態表示: OUTPUT を使用して、システムのステータスをLEDやブザーで通知する。
インターフェース制御: OUTPUT を用いて、I2CやSPIなどの通信プロトコルの一部をソフトウェアでエミュレートしたり、他のマイコンへ信号を送信したりする。