На самом деле там GPIO портов несколько больше, просто не все выведены на разъём с чипа. Я расширил их до 8 штук + 2 UART вот таким колхозным способом:

4 порта идут на подключение SD-карты, 2 на подключение экрана (софтовый сериал), 1 TX аппаратного UART идёт к эмулятору
Итого у меня есть ещё 2 свободных порта общего назначения + 1 RX от UART.
Короче не густо.
Изначально я пробовал делать на меге328 управляющий контроллер, но мне тупо не хватило оперативки под всё (но в тот момент у меня был подключен OLED экранчик, который требовал наличие знакогенератора и экранного буфера), но с переходом на Nextion потребность в оперативке снизилась, поэтому можно вернуться обратно к avr-варианту )

А по поводу режима чтения, хм. т.е. предлагается анализировать отправляемые значения регистров и высчитывать уровень трёх каналов?