О платформе

Что же такое Arduino? Формально это – торговая марка, под которой выпускаются официальные платы и софт. Название Ардуино идёт от одноименного названия рюмочной в Италии, где создатели платформы любили пропустить по рюмочке. Предлагаемая Arduino платформа включает в себя железо (сами платы) и софт (среда разработки).

Семейство Ардуино – несколько моделей так называемых отладочных плат. Отладочная плата представляет собой как ни странно печатную плату, в сердце которой стоит микроконтроллер – та самая штука, которую мы будем программировать. Микроконтроллер это микросхема, содержащая в себе микропроцессор, интерфейсы ввода-вывода, память (оперативную и постоянную), таймеры и другие штуки. Да, микропроцессор – это другое, микропроцессор по сути может только выполнять вычисления (как процессор в компьютере), а микроконтроллер – это практически полноценный компьютер, размещенный в одном кристалле микросхемы. В большинстве плат Arduino используются микроконтроллеры серии ATmega от производителя AVR.

Железо

Помимо микроконтроллера на отладочной плате стоит обвязка, необходимая для его работы: это кварцевый генератор, задающий частоту работы процессора, и “рассыпуха” – конденсаторы и резисторы, выполняющие фильтрующие и подтягивающие функции.

Давайте так: что нужно сделать для того, чтобы собрать устройство на микроконтроллере? Нужно подключить к выходам микроконтроллера необходимые устройства (далее – “железо”), загрузить на микроконтроллер прошивку, которая будет управлять этим железом, и обеспечить всё это дело стабильным питанием. Цель разработчиков ардуино была совместить вышеуказанное с простотой и удобством работы и модульностью, тем самым превратив разработку электронных устройств в мощный универсальный конструктор. Эта цель была достигнута так: на плате, вместе с микроконтроллером, разместили “программатор” для загрузки прошивки, usb порт и стабилизатор питания, позволяющий питать плату от широкого диапазона постоянных напряжений: 5-19 вольт. Микроконтроллеру нужно 5 вольт, что стабилизатор ему и обеспечивает.

Загрузка прошивки

Что касается так называемого программатора: изначально способом загрузки прошивки в микроконтроллер является загрузка посредством ISP (in-system programming) программатора, который загружает прошивку напрямую в память микроконтроллера. Это способ хорош и надёжен, но он дороже и не такой универсальный как тот, который используется в Ардуино. Работает это так: вместо ISP программатора на плате стоит USB-TTL преобразователь, который позволяет Ардуино (на её стороне TTL – транзистор-транзистор логика) буквально общаться с компьютером (на его стороне – USB) и обмениваться данными. Но просто общаясь с компьютером загрузить прошивку не получится, поэтому в памяти микроконтроллера “живёт” загрузчик (он же bootloader), который умеет ловить данные, идущие с компьютера и загружать их во Flash память микроконтроллера. При каждом запуске микроконтроллера загрузчик ждёт команду от компьютера, мол желает ли тот загрузить новую прошивку. Если никто ему не отвечает какое-то время, он запускает уже имеющуюся в памяти МК прошивку. Отсюда вытекает несколько минусов:

• Загрузчик сидит во Flash памяти и занимает место (около 6%, что довольно-таки много)
• При подаче питания на МК прошивка стартует не сразу, каждый раз загрузчик ждёт команду от компьютера в течение какого-то времени (пару секунд), прежде чем передать управление имеющейся в памяти программе.

Оба этих минуса решаются частично или полностью:

• Можно прошить неофициальный загрузчик, который занимает меньше места в памяти и быстрее стартует
• Можно загружать скетчи напрямую через ISP, в этом случае вообще не будет потери места и задержек при запуске, так как загрузчика вообще не будет в памяти

Возвращаясь к USB-TTL преобразователю: почему именно такой способ загрузки прошивки выбрали разработчики Arduino? Да всё очень просто: микросхема USB-TTL преобразователя стоит дешевле микросхем, могущих в ISP (роль оных обычно выполняют микроконтроллеры), что прилично удешевляет платформу. Но самое главное – использование USB-TTL преобразователя добавляет нам возможность общаться с платой при помощи компьютера (смартфона, планшета) без использования дополнительного железа, т.е. мы можем как управлять какими-то устройствами (если это заложено в коде прошивки), так и получать от Ардуино данные, например показания с датчиков. Но самое-самое главное – это позволяет отлаживать код, вручную, но все таки отлаживать.

Софт

Что касается программной части, предоставленной Arduino, то это Arduino IDE (Integrated Development Environment – интегрированная среда разработки), включающая в себя редактор кода, компилятор и всё остальное необходимое для загрузки прошивки в плату. Подробнее о ней поговорим в отдельном уроке.

Модели Ардуино

Вот мы и добрались до самих плат Ардуино, которых на данный момент появилось великое множество благодаря открытости платформы: все схемы и исходные коды находятся в открытом доступе, и вы можете сделать свою версию платы и продавать её, чем активно занимаются китайцы. Единственный пункт: слово Arduino – зарегистрированная торговая марка, и свою плату вам придется назвать как-то по-другому, отсюда и появились всякие Искры, Бузины и прочие так называемые Arduino совместимые платы.
Разновидностей плат очень много, но используют они одни и те же модели микроконтроллеров. От модели микроконтроллера зависит объем памяти и количество ног, ну и есть некоторые специальные фишки. На большинстве моделей Arduino стоят 8-битные МК от AVR с кварцевым генератором на 16 МГц (либо ниже), то есть по производительности платы на ATmega не отличаются, отличаются только объемом памяти, количеством ног и интерфейсов/таймеров. Модели Ардуино с МК от производителя ARM, например Arduino DUE, в разы мощнее своих собратьев за счёт 32-битного процессора, но это совсем другая история.

Таким образом вы должны сразу понять, что, например, Ардуино Уно=Нано=Про Мини=Лилипад по своим возможностям и взаимозаменяемости. Или Леонардо=Про Микро. Ссылки на недорогие китайские Ардуины вы можете найти у меня на сайте. Точно там же вы найдёте ссылки на кучу датчиков, модулей и другого железа, которое можно подключить к Arduino. О возможностях ардуино по работе с другими железками поговорим в одном из следующих уроках.

Программирование

Ардуино программируется на языке программирования C (C++) с соответствующим ему синтаксисом. Встроенный сборщик, препроцессор и компилятор (avr-gcc или Win-AVR) прощают большое количество ошибок и делает многое за пользователя автоматически, мы даже об этом не знаем и не задумываемся. Куча базовых функций для управления выводами микроконтроллера, математика и некоторые другие функции/макросы взяты из открытого фреймворка для работы с микроконтроллерами под названием Wiring. Именно из него примерно на 80% состоит базовый набор инструментов (функций) Ардуино. В связи с этим сами разработчики Ардуино называют язык “упрощённым c++”, и даже дали ему отдельное название – Arduino Wiring.

Если вы научитесь свободно прогать на ардуино, и вдруг перейдете к разработке программ на том же C++ в более взрослых средах разработки, вы будете неприятно удивлены тем количеством дополнительного кода, который придется писать руками. И наоборот, если умеющий в плюсы (си-плюс-плюсы) человек посмотрит на типичный ардуино-код, он скажет “да как это вообще работает то?”. Действительно, как это работает? При компиляции кода создаётся отдельный файл, в котором содержится ваш код, дополненный необходимыми настройками и с некоторыми подключенными библиотеками. Во взрослом мире без ардуино-плюшек, если вы, например, хотите использовать вывод в порт, используете в коде работу со строками и математические операции – вам нужно вручную подключать соответствующие модули. Среда Arduino делает это автоматически, мы даже об этом не знаем. Также компиляция кода проходит в несколько этапов, что позволяет например использовать функцию до её объявления. Но об этом поговорим позже.

Сейчас вернёмся к такому понятию, как библиотека. Жизнь рядового ардуинщика неразрывно связана с библиотеками, потому что огромное комьюнити за годы своего существования сделало огромное количество этих самых библиотек на все случаи жизни и для всех продающихся датчиков и модулей. Библиотека это набор файлов, в которых содержится дополнительный код, которым мы можем пользоваться просто ознакомившись с документацией или посмотрев примеры. Такой подход называется “черным ящиком”, мы можем даже не догадываться, какой ужас и кошмар (в плане сложности кода) содержится в библиотеке, но с лёгкостью пользоваться возможностями, который этот код даёт. Купили модуль – нашли библиотеку – открыли пример – всё, результат достигнут…

Холивар

В мире серьезных программистов и разработчиков очень не любят ардуино. Почему?

В среде Ардуино работа с микроконтроллером упрощена настолько, что ардуинщику вообще ничего не нужно знать о его архитектуре и о том, как он вообще программируется и настраивается. Все сделано в виде готовых и понятных функций. Это всё конечно хорошо, но скрытый за ширмой дружелюбного “Ардуино Вайринга” код прошивки ужасает: за безобидными на первый взгляд функциями кроются полотна кода, который что-то проверят, перепроверяет, перенастраивает уже настроенное и делает многие другие на первый взгляд ненужные вещи. Зачем это? Упросить начинающему программисту работу, простить все его ошибки и заставить его код просто работать. Стандартные функции очень медленные и не раскрывают всех возможностей микроконтроллера, вы даже не представляете, сколько всего там можно настроить и покрутить.

Второй повод для ненависти, это качество кода. Из-за простых, но понятных стандартных примеров аудитория ардуинщиков выросла очень быстро и буквально завалила интернет своими проектами, завлекая тем самым в это хобби других новичков. 99% учебных примеров, примеров работы с библиотеками и модулями написаны простенько и ужасно не оптимально: int переменные для всего подряд, вездесущий delay, блокирующие циклы и прочее, помимо уже описанных ардуино-функций. Люди берут эти примеры как основу основ и так сами и продолжают дальше писать. Но эти люди стоят на пороге очень большой двери под названием робототехника. Перешагнув через этот порог, отбросив все кривые примеры и научившись грамотно выстраивать структуру кода, они попадают в мир безграничных возможностей для творчества и исследования, мир бесконечно интересных и разнообразных проектов на Arduino.

Видео версия

Важные страницы

• Каталог ссылок на дешёвые Ардуины, датчики, модули и прочие железки с AliExpress у проверенных продавцов
• Подборка библиотек для Arduino, самых интересных и полезных, официальных и не очень
• Полная документация по языку Ардуино, все встроенные функции и макро, все доступные типы данных
• Сборник полезных алгоритмов для написания скетчей: структура кода, таймеры, фильтры, парсинг данных
• Видео уроки по программированию Arduino с канала “Заметки Ардуинщика” – одни из самых подробных в рунете