Типы данных, переменные

Переменная – это ячейка в оперативной памяти микроконтроллера, которая имеет своё уникальное название (а также адрес в памяти) и хранит значение соответственно своему размеру. К переменной мы можем обратиться по её имени или адресу и получить это значение, либо изменить его. Зачем это нужно? В переменной могут храниться промежуточные результаты вычислений, полученные “снаружи” данные (с датчиков, Интернета, интерфейсов связи) и так далее.

Измерение информации

Прежде чем перейти к переменным и их типам, нужно вспомнить школьный курс информатики, а именно – как хранятся данные в “цифровом” мире. Любая память состоит из элементарных ячеек, которые имеют всего два состояния: 0 и 1. Эта единица информации называется бит (bit). Минимальным блоком памяти, к которому можно обратиться из программы по имени или адресу, является байт (byte), который в Arduino (и в большинстве других платформ и процессоров) состоит из 8 бит, таким образом любой тип данных будет кратен 1 байту.

Максимальное количество значений, которое можно записать в один байт, составляет 2^8 = 256. В программировании счёт всегда начинается с нуля, поэтому один байт может хранить число от 0 до 255. Более подробно о двоичном представлении информации и битовых операциях мы поговорим в отдельном уроке.

Стандартные типы переменных в Arduino по своему размеру кратны степени двойки, давайте их распишем:

• 1 байт = 8 бит = 256
• 2 байта = 16 бит = 65 536
• 4 байта = 32 бита = 4 294 967 296

Типы данных

Переменные разных типов имеют разные особенности и позволяют хранить числа в разных диапазонах.

• (*) – да, bool занимает 1 байт (8 бит), так как это минимальная адресуемая ячейка памяти. Есть способы запаковать логические переменные в 1 бит, о них поговорим в другом уроке.
• (**) – на ESP8266/ESP32 int и unsigned int занимает 4 байта, то есть является аналогами типов long и unsigned long!
• (***) – Компилятор также поддерживает 64 битные числа. Стандартные Arduino-библиотеки с переменными этого типа не работают, поэтому можно использовать только в своём коде.

Целочисленные типы

Переменные целочисленных типов нужны для хранения целых чисел. В своей программе рекомендуется использовать альтернативное название типов (второй столбец в таблице выше), потому что:

• Проще ориентироваться в максимальных значениях
• Легче запомнить
• Название более короткое
• Проще изменить один тип на другой
• Размер переменной задан жёстко и не зависит от платформы (например int на AVR это 2 байта, а на esp8266 – 4 байта)

Максимальные значения хранятся в константах, которые можно использовать в коде. Иногда это помогает избавиться от лишних вычислений:

• UINT8_MAX – 255
• INT8_MAX – 127
• UINT16_MAX – 65 535
• INT16_MAX – 32 767
• UINT32_MAX– 4 294 967 295
• INT32_MAX – 2 147 483 647
• UINT64_MAX – 18 446 744 073 709 551 615
• INT64_MAX – ‭9 223 372 036 854 775 807

Логический тип

bool – логический, он же булевый (придуман Джорджем Булем) тип данных, принимает значения 0 и 1 или false и true – ложь и правда. Используется для хранения состояний, например включено/выключено, а также для работы в условных конструкциях.

Также переменная типа bool принимает значение true, если присвоить ей любое отличное от нуля число.

bool a = 0;  // false
bool b = 1;  // true
bool c = 25; // true

Символьный тип

char – тип данных для хранения символов, символ указывается в одинарных кавычках:  char var = 'a';. По факту это целочисленный тип данных, а переменная хранит номер (код) символа в таблице ASCII:

Отдельный символьный тип данных нужен для удобства работы, чтобы программа могла понять разницу между числом и символом, например для вывода на дисплей (чтобы вывести именно букву A, а не число 65). Из символов можно составлять строки, об этом более подробно поговорим в уроках про символьные строки и String-строки.

Символы и числа

Несмотря на то, что в языке Си символ это по сути целое число, значения например '3' и 3 не равны между собой, потому что символ '3' с точки зрения программы является числом 51. На практике иногда бывает нужно конвертировать символы чисел в соответствующие им целые числа и наоборот (при работе со строками и буферами вручную), для этого распространены следующие алгоритмы:

• Из символа в число – взять младший ниббл (4 бита): symbol & 0xF
• Из символа в число – вычесть символ 0: symbol - '0'
• Из числа в символ – прибавить символ 0: symbol + '0'

Дробные числа

float (англ. float – плавающий) – тип данных для чисел с плавающей точкой, т.е. десятичных дробей. Arduino поддерживает три типа ввода чисел с плавающей точкой:

Выше в таблице есть пометка “точность: 6-7 знаков” – это означает, что в этом типе можно хранить числа, размер которых не больше 6-7 цифр, остальные цифры будут утеряны! Причём целой части отдаётся приоритет. Вот так это выглядит в числах (в комментарии – реальное число, которое записалось в переменную):

float v;
v = 123456.654321;    // 123456.656250
v = 0.0123456789;     // 0.0123456788
v = 0.0000123456789;  // 0.0000123456788
v = 123456789;        // 123456792.0

Другие особенности float чисел и работу с ними мы рассмотрим в уроках про математические операции и условия.

Объявление и инициализация

• Объявление переменной – резервирование ячейки памяти указанного типа на имя: тип_данных имя;
• Присваивание – задание переменной значения при помощи оператора = (равно): имя = значение;
• Инициализация переменной – объявление и присваивание начального значения: тип_данных имя = значение;

Можно объявить и инициализировать несколько переменных через запятую:

byte myVal;
int sensorRead = 10;
byte val1, val2, val3 = 10;

• Переменная должна быть объявлена до использования, буквально выше по коду. Иначе вы получите ошибку Not declared in this scope – переменная не объявлена.
• Нельзя объявить две и более переменных с одинаковым именем в одной области определения.

Константы

Что такое константа понятно из её названия – что-то, значение чего мы можем только прочитать и не можем изменить: при попытке изменить получим ошибку компиляции. Задать константу можно двумя способами:

Как переменную, указав перед типом данных слово const: const тип_данных имя = значение;. Пример: const byte myConst = 10;. По сути это будет обычная переменная, но её значение нельзя поменять. Особенности:

• Занимает место в оперативной памяти, но может быть оптимизирована (вырезана) компилятором, если используется просто как значение.
• Имеет адрес в памяти, по которому к ней можно обратиться.
• Вычисления с ней не оптимизируются и чаще всего выполняются точно так же, как с обычными переменными.
• Компилятор выдаст ошибку, если имя константы совпадает с именем другой переменной в программе.

При помощи директивы #define, без знака равенства и точки с запятой в конце: #define имя значение. Пример: #define BTN_PIN 10. Работает так: указанное имя буквально заменяется в тексте программы на указанное значение. Такая дефайн-константа:

• Не занимает места в оперативной памяти, а хранится во Flash памяти как часть кода программы.
• Не имеет адреса в оперативной памяти.
• Вычисления с такими константами оптимизируются и выполняются быстрее, так как это просто цифры.
• Если имя дефайн-константы совпадёт с именем другого “объекта” в программе или даже в библиотеке – работа может быть непредсказуемой: можно получить невнятную ошибку компиляции, либо программа может просто работать некорректно! Дефайн буквально заменяет текст в коде программы, это довольно опасная штука.

Область видимости

Переменные, константы const и другие создаваемые пользователем данные имеют такое важное понятие, как область видимости. Она бывает глобальной и локальной.

Глобальная

Глобальная переменная:

• Объявляется вне функций, например просто в начале программы.
• Доступна для чтения и записи в любом месте программы.
• Находится в оперативной памяти на всём протяжении работы программы, то есть не теряет своё значение.
• При объявлении имеет нулевое значение.

byte var;   // глобальная переменная

void setup() {
  var = 50;
}

void loop() {
  var = 70;
}

Локальная

Локальная переменная:

• Объявляется внутри любого блока кода, заключённого в { фигурные скобки }.
• Доступна для чтения и записи только внутри своего блока кода (и во всех вложенных в него).
• Находится в оперативной памяти с момента объявления и до закрывающей фигурной скобки, то есть удаляется из памяти и её значение стирается.
• При объявлении имеет случайное значение.

Важный момент: если имя локальной переменной совпадает с одной из глобальных, то приоритет обращения отдаётся локальной переменной (в её области определения).

byte var; // глобальная переменная

void setup() {
 byte var;  // локальная переменная
 var = 50;  // меняем локальную var
}

void loop() {
 var = 70;  // меняем глобальную var
}

Статические переменные

Вспомним, как работает обычная локальная переменная: при входе в свой блок кода локальная переменная создаётся заново, а при выходе – удаляется из памяти и теряет своё значение. Если локальная переменная объявлена как static – она будет сохранять своё значение на всём протяжении работы программы, но область видимости останется локальной: взаимодействовать с переменной можно будет только внутри блока кода, где она создана (и во всех вложенных в него).

void setup() {
}

void loop() {
  byte varL = 0;
  varL++;

  static byte varS = 0;
  varS++;

  // здесь varL всегда будет равна 1
  // а varS - постоянно увеличиваться
}

Статические переменные позволяют более красиво организовывать свой код, избавляясь от лишних глобальных переменных.

Преобразование типов

Иногда требуется преобразовать один тип данных в другой: например, функция принимает int, а вы хотите передать ей byte. В большинстве случаев компилятор сам разберётся и преобразует byte в int, но иногда вылетает ошибка в стиле “попытка передать byte туда, где ждут int“. В таком случае можно преобразовать тип данных, для этого достаточно указать нужный тип данных в скобках перед преобразуемой переменной (тип_данных)переменная, иногда можно встретить запись тип_данных(переменная). Результат вернёт переменную с новым типом данных, сам же тип данной у переменной не изменится. Например:

// переменная типа byte
byte val = 10;

// передаём какой-то функции, которая ожидает int
sendVal( (int)val );

И всё! val будет обрабатываться как int, а не как byte.

Видео

Полезные страницы

• Набор GyverKIT – большой стартовый набор Arduino моей разработки, продаётся в России
• 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 макросы, 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
• Поддержать автора за работу над уроками
• Обратная связь – сообщить об ошибке в уроке или предложить дополнение по тексту ([email protected])