🏠 Главная · Программирование микроконтроллеров · 3 курс · Лекции

Дисциплина: МДК.02.02 «Программирование микроконтроллеров»
Специальность: 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы»
Раздел: Введение в архитектуру микроконтроллеров и основы программирования
Тема: среда Arduino и основы языка программирования C/C++ для микроконтроллеров

Программа Arduino называется скетчем. Скетч фактически является программой на C/C++ с библиотеками и служебным кодом Arduino Core.

Минимальная программа содержит две обязательные функции:

void setup() {
    // выполняется один раз после включения или reset
}

void loop() {
    // выполняется снова и снова
}

// однострочный комментарий

/*
   многострочный комментарий
*/

#include <LibraryName.h>

void setup() {
    // инициализация
}

void loop() {
    // основной алгоритм
}

Комментарии не входят в машинный код программы после компиляции и применяются для пояснения алгоритма.

После большинства операторов ставится ;:

int value = 10;
value++;
digitalWrite(13, HIGH);

После заголовка функции, if, for, while и других конструкций с блоком { ... } точка с запятой обычно не ставится.

Объявление переменной:

int myVal;

Объявление с начальным значением:

int myVal = 2300;

Общая форма:

<тип> <имя>;
<тип> <имя> = <значение>;

В исходном материале размеры типов приведены для классических Arduino на AVR, например Arduino Uno/Nano с ATmega328P. На 32-разрядных контроллерах ARM Cortex-M, ESP32 и других платформах размеры некоторых типов отличаются.

Например:

• на AVR int обычно 16-битный;
• на многих 32-битных МК int — 32-битный;
• на AVR double обычно имеет ту же точность, что и float;
• на многих 32-битных платформах double — 64-битный.

Для аппаратно-зависимого кода удобно использовать типы фиксированной ширины:

uint8_t
int16_t
uint32_t

Объявляется вне функций:

int counter = 0;

void setup() {
}

void loop() {
    counter++;
}

Доступна функциям программы в пределах области видимости.

Создается внутри функции или блока:

void myFunction() {
    int value = 25;
}

После выхода из блока локальная автоматическая переменная перестает быть доступной.

Следует предпочитать локальные переменные там, где глобальный доступ не требуется: это уменьшает количество скрытых зависимостей в программе.

Константа с типом:

const int ledPin = 13;

Препроцессорная подстановка:

#define LED_PIN 13

Для обычных числовых и логических констант в C++ чаще удобнее const или constexpr, поскольку они имеют тип и лучше контролируются компилятором.

Пример:

const unsigned long BLINK_INTERVAL = 500;

Основные операторы:

Составные операции:

x += a;
x -= a;
x *= a;
x /= a;

Стандартные математические функции, доступные в Arduino:

pow(x, a);
sq(x);
sqrt(x);
abs(x);
sin(x);
cos(x);
tan(x);
round(x);
ceil(x);
floor(x);

int a = 5 / 2;       // 2
float b = 5.0 / 2.0; // 2.5

Тип операндов определяет способ выполнения операции.

При работе с последовательным портом важно отличать число от символа.

Например, символ '1' хранится не как число 1, а как код ASCII 49.

char c = Serial.read();

if (c == '1') {
    // пользователь отправил символ 1
}

Если известно, что пришла одна десятичная цифра:

int digit = Serial.read() - '0';

Простейшая форма:

if (condition) {
    // выполняется, если condition истинно
}

Ветвление:

if (condition) {
    // да
} else {
    // нет
}

Несколько вариантов:

if (value < 10) {
    // ...
} else if (value < 20) {
    // ...
} else {
    // ...
}

==   равно
!=   не равно
>    больше
<    меньше
>=   больше или равно
<=   меньше или равно

&&   логическое И
||   логическое ИЛИ
!    логическое НЕ

Пример:

if (temperature > 30 && fanEnabled) {
    digitalWrite(FAN_PIN, HIGH);
}

Они работают не с логическими условиями целиком, а с отдельными битами целого числа:

&    AND
|    OR
^    XOR
~    NOT
<<   сдвиг влево
>>   сдвиг вправо

В исходной лекции рассматривается программа, которая меняет задержку мигания встроенного светодиода в зависимости от команды, принятой с компьютера.

Алгоритм этой программы удобно представить так:

Главная идея:

• '1' — медленное мигание;
• '2' — средняя скорость;
• '3' — быстрое мигание.

В учебном примере используется delay(), потому что он хорошо демонстрирует последовательность выполнения. Для реальных многозадачных скетчей ниже рассмотрен более удобный вариант на millis().

Когда одна переменная сравнивается с несколькими фиксированными вариантами, switch часто делает программу понятнее длинной цепочки if ... else if.

Общая форма:

switch (value) {
    case 1:
        // ...
        break;

    case 2:
        // ...
        break;

    default:
        // ...
        break;
}

break завершает текущую ветку. Если его убрать, выполнение может продолжиться со следующего case.

delay(1000);

Останавливает выполнение текущего потока скетча примерно на 1000 мс.

Это удобно для простейших примеров, но во время такой задержки код в loop() не может выполнять другие задачи.

delayMicroseconds(20);

Создает короткую задержку в микросекундах. Допустимые интервалы и точность зависят от платформы Arduino Core и частоты микроконтроллера.

Возвращает число миллисекунд с момента запуска:

unsigned long now = millis();

На классическом AVR значение unsigned long переполняется примерно через 49,7 суток.

Возвращает время в микросекундах. Для Arduino Uno разрешение традиционно составляет несколько микросекунд, а переполнение происходит примерно через 70 минут. На других платах характеристики могут отличаться.

Рекомендуемый шаблон:

if (millis() - lastTime >= interval) {
    lastTime = millis();
    // периодическое действие
}

Преимущество: основной цикл продолжает работать и может одновременно читать кнопки, Serial и датчики.

Используется, когда удобно явно задать счетчик:

for (byte i = 0; i < 100; i++) {
    Serial.println(i);
}

Структура:

for (инициализация; условие; изменение)

Сначала проверяет условие:

while (condition) {
    // тело
}

Если условие изначально ложно, тело не выполнится ни разу.

Сначала выполняет тело, затем проверяет условие:

do {
    // тело
} while (condition);

Поэтому тело выполняется минимум один раз.

Немедленно завершает цикл:

for (byte i = 0; i < 100; i++) {
    if (i > 50) {
        break;
    }

    Serial.println(i);
}

Пропускает оставшуюся часть текущей итерации:

for (byte i = 0; i < 100; i++) {
    if (i > 50 && i < 60) {
        continue;
    }

    Serial.println(i);
}

Библиотека содержит готовые классы и функции для работы с устройством или алгоритмом.

В исходном материале показан классический способ добавления ZIP-библиотеки. В современных версиях Arduino IDE также удобно использовать Library Manager.

В скетче:

#include <LibraryName.h>

Перед использованием сторонней библиотеки желательно проверить:

• для каких плат она предназначена;
• ее версию;
• примеры;
• наличие документации;
• совместимость с используемым Arduino Core.

Arduino может обмениваться данными с ПК через USB. На компьютере это обычно отображается как виртуальный последовательный порт.

На Arduino Uno аппаратный UART микроконтроллера связан с выводами:

• D0 / RX;
• D1 / TX.

Поэтому при активном обмене через аппаратный Serial использование этих контактов для другой периферии может создавать конфликт.

Запуск:

void setup() {
    Serial.begin(9600);
}

Скорость в мониторе порта должна соответствовать скорости, указанной в Serial.begin().

Типичный шаблон:

if (Serial.available() > 0) {
    char c = Serial.read();
    Serial.println(c);
}

Входящие данные накапливаются в буфере. Размер буфера зависит от Arduino Core и конкретной платформы; число 64 байта, приведенное в исходном материале, характерно для ряда классических AVR-конфигураций, но не является универсальным правилом.

Serial.print("Value = ");
Serial.println(value);

Форматирование:

Serial.println(value, DEC);
Serial.println(value, HEX);
Serial.println(value, OCT);
Serial.println(value, BIN);

Для вещественного числа второй параметр может задавать количество знаков после десятичной точки:

Serial.println(3.14159, 2);  // 3.14

Особенно важно правильно понимать:

Serial.flush();

В современных Arduino Core эта функция ожидает завершения передачи исходящих данных. Она не предназначена для очистки входного буфера.

Если нужно удалить непрочитанные входящие данные, их можно явно прочитать:

while (Serial.available() > 0) {
    Serial.read();
}

Настройка режима:

pinMode(pin, INPUT);
pinMode(pin, OUTPUT);
pinMode(pin, INPUT_PULLUP);

Управление выходом:

digitalWrite(pin, HIGH);
digitalWrite(pin, LOW);

Чтение входа:

int state = digitalRead(pin);

INPUT_PULLUP включает внутренний подтягивающий резистор. Типовая кнопка подключается между входом и GND; тогда:

• кнопка отпущена → HIGH;
• кнопка нажата → LOW.

Это важно учитывать в условии программы.

Для Arduino Uno:

int adc = analogRead(A0);

ATmega328P имеет 10-битный АЦП, поэтому функция обычно возвращает:

0 ... 1023

Напряжение, соответствующее коду, зависит от опорного напряжения АЦП.

Линейно пересчитывает диапазон:

long percent = map(adc, 0, 1023, 0, 100);

map() работает с целочисленной арифметикой.

Ограничивает значение:

value = constrain(value, 0, 255);

На классических Arduino AVR эта функция обычно формирует ШИМ, а не настоящее аналоговое напряжение:

analogWrite(9, 128);

128 соответствует примерно 50% заполнения PWM.

Для Uno/Nano с ATmega328P PWM традиционно доступен на выводах:

3, 5, 6, 9, 10, 11

Для других плат список выводов необходимо смотреть в документации.

Функция без аргументов и без возвращаемого результата:

void hello() {
    Serial.println("HELLO!");
}

Вызов:

hello();

Функция с параметром:

void printValue(int value) {
    Serial.println(value);
}

Функция, возвращающая результат:

int mySum(int a, int b) {
    return a + b;
}

Функции позволяют:

• уменьшать повторение кода;
• разделять программу на логические модули;
• упрощать тестирование и сопровождение.

random(max);
random(min, max);

Верхняя граница в random(min, max) не включается.

long x = random(0, 100);  // 0 ... 99

Начальное состояние генератора:

randomSeed(value);

В учебных проектах иногда используют шум с неподключенного аналогового входа:

randomSeed(analogRead(A0));

Это дает лишь простой источник изменяющегося значения и не делает генератор криптографически безопасным.

Объявление:

int values[6];

С начальным содержимым:

int pins[] = {2, 4, 8, 3, 6};

Индексация начинается с нуля:

pins[0] → 2
pins[1] → 4
...
pins[4] → 6

Заполнение массива:

byte values[50];

for (byte i = 0; i < 50; i++) {
    values[i] = random(100);
}

Нельзя обращаться за пределы массива: это может повредить другие данные в SRAM.

Прерывание позволяет микроконтроллеру быстро реагировать на внешнее событие, не проверяя вход на каждой итерации loop().

В современном Arduino-коде удобно записывать:

attachInterrupt(
    digitalPinToInterrupt(2),
    onButton,
    FALLING
);

Для Arduino Uno/Nano на ATmega328P внешние прерывания доступны на D2 и D3.

Основные режимы:

LOW
CHANGE
RISING
FALLING

Он должен быть максимально коротким.

Плохая практика:

void onButton() {
    delay(1000);
    Serial.println("INTERRUPT");
}

Предпочтительно установить флаг:

volatile bool buttonEvent = false;

void onButton() {
    buttonEvent = true;
}

А обработку выполнить в loop().

Переменные, которыми обмениваются основной код и ISR, часто объявляют как volatile. Для многобайтных данных могут дополнительно потребоваться меры атомарности.

1. Arduino-программа строится вокруг setup() и loop().
2. Размеры типов данных зависят от архитектуры микроконтроллера.
3. if, switch, for, while и do...while формируют основную управляющую логику.
4. delay() прост, но блокирует выполнение основного алгоритма.
5. Для параллельной обработки нескольких задач предпочтительнее таймеры на millis().
6. Serial используется для обмена с ПК и отладки.
7. digitalRead/digitalWrite работают с логическими уровнями.
8. analogRead выполняет аналого-цифровое преобразование.
9. analogWrite на Arduino Uno/Nano формирует PWM, а не постоянное аналоговое напряжение.
10. Функции и массивы помогают строить структурированные программы.
11. ISR должна выполняться быстро.
12. При программировании необходимо учитывать особенности конкретной платы и Arduino Core.

1. Для чего нужны setup() и loop()?
2. Чем локальная переменная отличается от глобальной?
3. Почему размер int нельзя считать одинаковым на всех Arduino-платформах?
4. Чем const отличается от #define?
5. В чем различие = и ==?
6. Чем && отличается от &?
7. Что вернет Serial.read(), если пользователь отправил символ 7?
8. Когда удобнее использовать switch, а когда if?
9. Почему длительные delay() нежелательны?
10. Почему выражение millis() - lastTime >= interval устойчиво к переполнению?
11. Чем while отличается от do...while?
12. Для чего нужны break и continue?
13. Что делает Serial.available()?
14. Для чего применяется Serial.flush()?
15. Как работает INPUT_PULLUP?
16. Какой диапазон возвращает 10-битный ADC?
17. Что фактически генерирует analogWrite() на Arduino Uno?
18. С какого индекса начинается массив?
19. Почему обработчик прерывания должен быть коротким?
20. Для чего используется volatile при работе с ISR?

Напишите программу для Arduino Uno/Nano:

• кнопка подключена к D2 и GND в режиме INPUT_PULLUP;
• светодиод используется встроенный;
• короткое нажатие меняет режим мигания:
  • режим 1 — 1000 мс;
  • режим 2 — 500 мс;
  • режим 3 — 100 мс;
• для мигания нельзя использовать delay();
• текущий режим выводится в Serial Monitor;
• прерывание должно только фиксировать факт нажатия, а смена режима выполняется в loop().

Такое задание объединяет темы:

GPIO + INPUT_PULLUP + interrupts + millis() + Serial + state machine.

Sketch — программа Arduino.
setup() — однократная инициализация.
loop() — основной повторяющийся цикл.
Variable — переменная.
const — типизированная константа.
ASCII — система кодирования символов.
if / switch — операторы ветвления.
for / while / do while — циклы.
millis() — системный счет времени в миллисекундах.
Serial — последовательный интерфейс Arduino API.
GPIO — цифровые входы/выходы.
ADC — аналого-цифровой преобразователь.
PWM — широтно-импульсная модуляция.
ISR — обработчик прерывания.
volatile — квалификатор для данных, способных изменяться вне обычного потока выполнения.

← Лекция 2. Микроконтроллеры семейства ARM Cortex-M: архитектура и периферия · Лекция 4. Подключение и управление LCD1602 и сервоприводом →

Оригинал материала на GitHub