Программируем Arduino. Основы работы со скетчами

Рис. 2.3. Внутри папки cores

Открыв Arduino.h в текстовом редакторе, вы увидите, что он состоит из множества инструкций #include. Они подключают определения из других заголовочных файлов в папке cores/arduino в процессе компиляции (преобразования скетча в форму, пригодную для записи во флеш-память микроконтроллера).

Там же можно увидеть определения констант, например:

#define HIGH 0x1

#define LOW  0x0

#define INPUT 0x0

#define OUTPUT 0x1

#define INPUT_PULLUP 0x2

Они немного похожи на переменные в том смысле, что, обратившись к имени HIGH, например, программа получит значение 1. Значение определено как 0x1, а не как 1, потому что в этом файле все значения определяются в шестнадцатеричном формате (в системе счисления с основанием 16). Эти определения в действительности не являются переменными — их называют директивами препроцессора C, то есть когда ваш скетч будет преобразован в формат, пригодный для записи во флеш-память микроконтроллера, все слова HIGH, LOW и другие автоматически будут преобразованы в соответствующие числа. Это дает определенные преимущества перед использованием переменных, так как не требуется выделять память для их хранения.

Так как эти константы являются числовыми, вы можете, например, перевести контакт 5 в режим OUTPUT, как показано далее, но все же лучше пользоваться символическими именами на тот случай, если разработчики Arduino решат изменить значения констант. Кроме того, использование имен упрощает чтение программного кода.

setMode(5, 1);

setMode(5, OUTPUT);

Также в файле arduino.h присутствует множество сигнатур функций, например таких:

void pinMode(uint8_t, uint8_t);

void digitalWrite(uint8_t, uint8_t);

int digitalRead(uint8_t);

int analogRead(uint8_t);

void analogReference(uint8_t mode);

void analogWrite(uint8_t, int);

Они предупреждают компилятор о функциях, которые фактически реализуются где-то в другом месте. Возьмем, для примера, первую сигнатуру. Она сообщает, что функция pinMode принимает два аргумента (которые, как вы уже знаете, представляют номер контакта и режим) типа uint8_t. Команда void говорит, что после вызова функция ничего не возвращает.

Вам может показаться странным, почему для параметров выбран тип uint8_t, а не int. Обычно, определяя номер контакта, вы указываете значение типа int. На самом деле int — это универсальный тип, широко используемый в скетчах. Он избавляет пользователей от проблемы выбора из большого разнообразия доступных типов. Но в диалекте языка C для Arduino тип int представляет 16-битные целые значения со знаком в диапазоне между –32 768 и 32 767. Однако номер контакта не может быть отрицательным, и вам едва ли когда-нибудь попадется плата Arduino с 32 767 контактами.

Тип uint_8 намного точнее определяет диапазон допустимых значений, потому что вообще в языке C тип int может представлять значения с разрядностью от 16 до 64 битов в зависимости от конкретной реализации C. Имя типа uint_8 читается так: символ u говорит, что это беззнаковый (unsigned) тип, int сообщает, что это целочисленный тип, и, наконец, число после символа подчеркивания (_) сообщает количество битов. То есть тип uint_8 представляет 8-битные целые числа без знака в диапазоне между 0 и 255.

Вы свободно можете использовать в своих скетчах эти более строгие типы, что некоторые и делают. Но помните, что это сделает ваш код чуть труднее для понимания теми, кто не искушен в программировании для Arduino.

Возможность использования обычного типа int, представляющего 16-битные целые числа со знаком, вместо типа unit_8, например, объясняется способностью компилятора автоматически выполнять необходимые преобразования. Использование переменных типа int для хранения номеров контактов приводит к напрасному расходованию памяти. Поэтому вам придется искать компромисс между объемом памяти для хранения данных и удобочитаемостью кода. Как правило, в программировании предпочтение отдается простоте чтения кода, если только вы не собираетесь создать нечто очень сложное, способное превысить ограничения микроконтроллера.

Здесь можно провести аналогию с грузовиком, который вы собираетесь использовать для доставки чего-то кому-то. Если требуется перевезти большой объем груза, вам придется подумать, как упаковать и расположить его, чтобы он уместился весь. Если груз занимает лишь малую часть площади кузова, нет смысла тратить много времени на его упаковку и размещение.

Также в папке arduino можно найти файл main.cpp. Открыв его, вы увидите кое-что интересное.

int main(void)

{

    init();

#if defined(USBCON)

    USBDevice.attach();

#endif

    setup();

    for (;;) {

        loop();

        if (serialEventRun) serialEventRun();

    }

    return 0;

}

Если прежде вам доводилось программировать на языке C, C++ или Java, вы должны быть знакомы с идеей функции main. Эта функция автоматически вызывается в момент запуска программы. Функция main — это главная точка входа в программу. Это утверждение справедливо и для программ Arduino, только скрыто от глаз разработчиков скетчей, которые обязаны реализовать в своих скетчах две функции — setup и loop.

Если вчитаться в файл main.cpp, пропустив пока первые несколько строк, можно заметить, что функция main вызывает setup() и затем входит в бесконечный цикл for, где вызывает функцию loop.

Команда for(;;) — это, пусть и малопонятный, способ записи while (true). Обратите внимание на то, что кроме вызова функции loop внутри цикла for имеется также команда if, которая проверяет поступление сообщений в последовательный порт и обслуживает их.

Вернувшись в начало файла main.cpp, можно увидеть, что в первой строке находится команда include, подключающая все определения из заголовочного файла arduino.h, о котором я говорил прежде.

Далее находится определение функции main, которая начинается с вызова функции init(). Если поискать, ее можно найти в файле wiring.c, она вызывает функцию sei, разрешающую прерывания.

Строки

#if defined(USBCON)

    USBDevice.attach();

#endif

являются еще одной директивой препроцессора C. Данный код действует подобно команде if, которую вы можете использовать в своих скетчах, но выполняется она не тогда, когда скетч уже работает в Arduino. Проверка условия в директиве #if происходит во время компиляции скетча. Данная директива дает отличную возможность включать и выключать фрагменты кода в зависимости от конкретного типа платы. В данном случае, если Arduino поддерживает интерфейс USB, в программу включается код, подключающий (инициализирующий) его, в противном случае нет никакого смысла компилировать его.

Из скетча в Arduino

Теперь, когда вы узнали, откуда берется весь этот магический код, когда пишется даже самый простой скетч для Arduino, можно посмотреть, как этот код попадает во флеш-память микроконтроллера на плате Arduino, когда вы щелкаете на кнопке Upload (Загрузить) в Arduino IDE.

На рис. 2.4 показано, что происходит после щелчка на кнопке Upload (Загрузить).

Рис. 2.4. Комплект инструментов Arduino

Скетчи для Arduino хранятся в виде текстовых файлов с расширением .ino в папке с тем же именем, но без расширения.

Когда пользователь пытается выгрузить скетч в плату, в дело включается среда разработки Arduino IDE, которая управляет множеством вспомогательных программ, выполняющих основную работу. Сначала компонент Arduino IDE, который я (за неимением лучшего названия) называю препроцессором (Arduino IDE preprocessor), собирает файлы, составляющие скетч. Обратите внимание на то, что обычно скетч состоит из единственного файла. При желании в папку скетча можно добавить другие файлы, правда, при этом для их создания придется использовать другой редактор.