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I/Oレジスタとは

I/Oレジスタ（特殊機能レジスタ)とは，AVRの内蔵機能にアクセスするための特殊なレジスタです。 「内蔵機能」には，UARTやTIMER，汎用I/Oポートなどがある。

PINXへの書き込み→PORTXのトグル

一部のAVR(*)には通常の入力レジスタのPINBのbit-nに1を書き込むと，ポートBのbit-nの値が反転するという機能が付加されている。

DDRB = 0xFF;       // ポートBを全て出力設定
PORTB = 0xF0;      // PORTB書き込み→ポートBのPB4からPB7がHighに、PB0からPB3がLowになる
PINB  = 0xFF;      // PINBのbit7-0に書き込む→ポートBのPB4からPB7がHigh→Lowに、PB0からPB3がLow→Highになる

*2

_BV(bit)

ヘッダファイル<avr/io.h>で，AVR各レジスタのビット名とビット番号(0から7)の対応が定義されている。
たとえば，PORTBのbit0からbit7に対応して，PB0からPB7という名前が定義されている。入力ポートPINBについては，PINB0からPINB7の名前で定義されている。

ビット位置から簡単にレジスタに出力すべき値を記述できるように，便利なマクロ_BV()が用意されている。
これを使って特定のビットを読み取る処理をわかりやすく書けます。 たとえば,_BV(PINA6)は (1<<PINA6)を返し，これはPINA6に対応するビット(bit6)をONとした時のPINAの値 64 (二進数で0b00100000)を返す。

// _BVの使用例
PORTB  = _BV(PB1);             // PB1ピンだけをHighにし，残りをLowにする
PORTB  = PORTB | _BV(PB1);     // PB1ピンをHighにし，残りは変化させない
PORTB |= _BV(PB1);             // こう書いてもいい
PORTB  = PORTB & ~_BV(PB1);    // _BV(PB1)のビット反転とandする。PB1ピンをLowにし，残りは変化させない
PORTB &= ~_BV(PB1);            // こう書いてもいい

uint8_t result;
result = PINB;
result = result & _BV(PINB1); // 変数に対して使ってもいい
uint16_t tm;
tm = _BV(15);                 // 16bit整数のbit15を1にする

なお，_BV()はそのままでは16bitにしか対応できません。32bitとして使いたいときは以下のような_BV32()をマクロ定義して使ってください。

#define _BV32(bit) (1L << (bit))

sbi(),cbi() -- 2005/02時点にて既に削除されました。

最新版WinAVR(20050214)で削除されました。

void sbi (uint8_t port, uint8_t bit):
void cbi (uint8_t port, uint8_t bit):
sbi()関数で指定レジスタの指定のビットをセット(1)にすることができます。 
cbi()関数で指定レジスタの指定のビットをクリア(0)にすることができます。 
sbi(PORTB, 3);      // PORTBのbit3をset
sbi(PORTB, PB3);    // こちらでもいいです。
sbi(GIFR, INT0);    // bit名に意味のある名前が付いている場合は
                    // それを使った方がわかりやすい

以下のように書いてください。

PORTB |=  _BV(3);   // PORTBのbit3をセット
PORTB &= ~_BV(4);   // PORTBのbit3をクリア

しかしこのマクロ，削除するには惜しいほど使いやすいです。マクロを作って利用するのも良いかも知れません。

#define cbi(addr,bit)     addr &= ~(1<<bit)
#define sbi(addr,bit)     addr |=  (1<<bit)

ビットチェック bit_is_set(),bit_is_clear()

• bit_is_set()は指定レジスタの指定のビットがセット(1)されているかどうかチェックします
  
• bit_is_clear()は指定レジスタの指定のビットがセット(1)されていないかどうかチェックします
  

条件分岐などと共に使うと便利です。

// example:
if (bit_is_set(PINB, PINB3)) {
    // ポートBの入力 PINB3が1(入力がHi)なら、if節内の処理を行う
}

if (bit_is_clear(PINB, PINB3)) { 
    // ポートBの入力 PINB3が0(入力がLo)なら、if節内の処理を行う
}

loop_until_bit_is_set(),loop_until_bit_is_clear()

名前の通り指定のビットがセットされるまで/クリアされるまでループします。

loop_until_bit_is_set(PINB,PINB3);
// ポートBの入力 PINB3が1(入力がHi)になるまで待つ

↓この形式では利用できません。

loop_until_bit_is_set(PINB,PINB3) 
{
    // PINB3が1になるまでこの処理を行う・・・コンパイルエラー
}

↓このように使ってください。

while( bit_is_clear(PINB,PINB3) ) 
{
    // PINB3が0の間この処理を行う
}

I/Oポートとは？

入出力ポート以外にも多くの付加機能を持ったI/Oポートがあります。 あるものは内蔵機能の動きをコントロールし（コントロールレジスタ），あるものは内蔵機能の動作結果を読み込み・動作指定するための書き込み（データレジスタ）を行います。入出力ポートで言えば，DDRレジスタがコントロールレジスタ，PORTBやPINBがデータレジスタにあたります。
WinAVRでの扱いは入出力ポートと同じです。

タイマ0のコントロールレジスタ→TCCR0
タイマ0のデータレジスタ→TCNT0

これらのI/Oレジスタは "Special Function Registers (SFR) と呼ばれており，WinAVRでは，使用できるレジスタは<avr/io.h>ヘッダファイルで定義されています。
MPU名をmakefileで適切に指定してあれば，指定プロセッサにあった定義ファイルが読み込まれます。

各レジスタはデータシートにある名前と同じ名の変数として扱えます。

ペアレジスタ(16bitレジスタ)

レジスタやIOレジスタの中には，値が8bitに収まらないため上位下位バイトセットで意味を成すレジスタもあります。
そのうちTimer1の16biレジスタなどについては，2バイトいっぺんに操作がしやすいように16bit参照ができるシンボルが定義されています。以下は同じアドレス0x2C(2313の場合)を指し示しますが，得られる値が異なります。

a=TCNT1L; //TCNT1Lの値だけを取得    a = *(volatile uint8_t *)(0x2C);
a=TCNT1;  //TCNT1H*256+TCNT1Lを取得 a = *(volatile uint16_t *)(0x2C);

AVRは8bitCPUで，１度に上位下位16bit分のレジスタ値を取得することはできませんので，上記のa=TCNT1; では実際には，TCNT1L/TCNT1H２つのレジスタの読み込みによって成されています。
1バイトずつアクセスする方法と対比させてみると以下のようになります。

従来の方法                 新しい方法
uint16_t tm;               uint16_t tm;
uint8_t  tm_l,tm_h;

tm_l = TCNT1L;             
tm_h = TCNT1H;            
tm   = tm_h<<8 + tm_l;     tm = TCNT1;  //TCNT1の性質に基づき下位から読み出す

TCNT1H = tm>>8;
TCNT1L = tm&255;           TCNT1 = tm;  //TCNT1の性質に基づき上位から書き込む

タイマ関連レジスタについては，それ自身の値や比較対象の値が絶えず動いているので，同じ瞬間に上位下位２バイトの値を変更する必要があります。このためにTEMPレジスタという仕掛けがあります。ペアレジスタを参照するために定義された16bitシンボル(上記のTCNT1の他、OCR1A,ICR1など)を使う場合は，書き込み時は上位から，読み出し時は下位からの原則が守られます。

たいていの16bitレジスタは，上記のTCNT1のように，hogehogeL,hogehogeHというレジスタなら「hogehoge」がペアレジスタ名になります。
例外もあります。
AD変換のデータレジスタは，ADCL,ADCHはADCではなく，ADCWというペアレジスタが用意されています。

また，連続したアドレスにないためペアレジスタの形で扱えないものもあります。(一部デバイスのUBRRL/UBRRHなど)

1を書き込むとビットクリアとなるレジスタがあります。

GIFR(一般割り込み要求フラグレジスタ)やTIFR(タイマ割り込み要求フラグレジスタ)など，割読み要求フラグを提示するレジスタでは，bitに1を書き込むとクリア(0になる)され，bitに0を書き込むと不変のような動作をします。

GIFR=0xC0(INTF1,INTF0が1)の時、GIFR=_BV(INTF1);を実行

→GIFRは0x40になる(bit7(INTF1)のみクリア)

間違いの例

× GIFR  = GIFR | _BV(INTF1);
× GIFR |= _BV(INTF1);
× sbi(GIFR,INTF1);
→まちがい。これをやると、たとえばINTF0もセットされている場合、
　　INTF0に1を書き込むことになり、INTF0までクリアしてしまう！
　　(read-modify-write動作の落とし穴)
　■■□□□□□□　GIFR INTF1(bit7)とINTF0(bit6)が立っている
　■■□□□□□□　GIFR値|_BV(INTF1)
　□□□□□□□□　↑を書き込むと、INTF0もクリア対象になる！

通常のビットと，1書き込みでクリアとなるビット両方が混在しているレジスタもあります。
この場合は，通常ビットの部分はこれまでの値を，1書き込みでクリアとなるビットについてはクリアしたいビットだけを1にするようにした値を書き込むことになります。
TWI(I2C)のTWCRレジスタなどがそれに該当します。
以下のように通常ビットを他の変数や定数に保持しておくと便利です。

#define TWCR_value _BV(TWEN);
TWCR = TWCR_value | _BV(TWINT);

複数のbitに同時に書き込みをかける必要があるレジスタ

一部のレジスタについては，同時に書き込みをかけないと機能しないようになっている物があります。
EEPROM制御アドレスEECRのEEPM1/EEPM0(mega/tinyシリーズ)などがそれにあたります。

書き込みに時間制限があるレジスタ

容易に変更されては困るビットの中には，ビットを鍵として，鍵になるビットを書き込んだ後すぐに目的のビットを書き込まないと鍵が閉じてしまうような仕掛けをしているレジスタがあります。
WDTCR(ウォッチドッグタイマコントロールレジスタ)などがそれにあたります。WDTCRの一部のビットは，WDTCRのWDCEビットを書き込んだ後4クロック以内に他のビットを書き込まない限りは書き換えられないようになっています。