Программируем Arduino. Основы работы со скетчами

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.

Если в папке присутствуют другие файлы, они также будут включены в процесс сборки. Файлы с программным кодом на языках C и C++ компилируются отдельно друг от друга. В начало главного файла скетча добавляется строка, подключающая arduino.h.

Так как существует множество разных моделей плат Arduino, использующих разные микроконтроллеры с разными наименованиями контактов, Arduino IDE должна выбрать правильные их определения. Если заглянуть в папку hard-ware/arduino/variants, можно увидеть отдельные папки для всех моделей плат Arduino, в каждой из которых хранится свой файл pins_arduino.h. Этот файл содержит имена контактов для своей платформы.

После объединения файлов вызывается компилятор GCC. Это компилятор C++, распространяемый с открытым исходным кодом и входящий в состав дистрибутива Arduino. Он принимает скетч, заголовочный файл и файлы реализации с исходным кодом на C и преобразует их в код, который может выполняться микроконтроллером на плате Arduino. Этот компилятор выполняет следующие шаги.

1. Препроцессор интерпретирует все команды #if и #define и определяет, какой код должен быть скомпилирован.

2. Затем выполняются компиляция и компоновка кода в единственный файл, пригодный для выполнения процессором на плате.

3. Когда компилятор завершит свою работу, запускается открытый программный компонент с названием avrdude, который пересылает в плату выполняемый двоичный код в шестнадцатеричном формате через последовательный интерфейс USB.

Теперь мы в царстве Arduino. В плате Arduino имеется небольшая резидентная программа, устанавливаемая в каждый микроконтроллер. Эта программа называется загрузчиком (bootloader). Загрузчик выполняется каждый раз, когда происходит сброс платы Arduino. Именно поэтому, когда происходит передача данных по последовательному интерфейсу, аппаратура связи в Arduino Uno производит принудительный сброс платы, чтобы дать загрузчику возможность проверить входящие скетчи.

Если был получен скетч, плата Arduino программирует сама себя, распаковывая шестнадцатеричное представление программы в двоичное и сохраняя его во флеш-памяти. Когда в следующий раз произойдет сброс платы, после обычной проверки на наличие нового скетча загрузчик автоматически запустит программу, хранящуюся во флеш-памяти.

Возникает естественный вопрос: почему компьютер не может запрограммировать микроконтроллер напрямую, минуя такую сложную процедуру? Причина в том, что для программирования микроконтроллера требуется специальная аппаратура, использующая другой способ связи с платой Arduino (кто-нибудь из вас спрашивал себя, зачем на плате колодка с шестью контактами?). Благодаря загрузчику, постоянно прослушивающему последовательный порт, мы можем программировать Arduino через USB без использования специальной аппаратуры.