Языки программирования

Итак, у вас есть процессор. Вы наверняка понимаете, что процессор можно как-то запрограммировать, чтобы он делал то, что вы хотите. Для того, чтобы была выполнена полезная работа необходимо (а) написать полезную программу и (б) отдать её процессору для исполнения.

В целом, не важно какой именно у вас процессор: последний Intel Pentium в вашем ноутбуке или микроконтроллер на плате Arduino. Принципы написания программы, т.е. программирования, в обоих случаях одни и те же. Различается лишь быстродействие и объём возможностей по работе с другими устройствами.

Что такое программа и куда её писать

Процессор несмотря на всю сложность производства, по сути своей, довольно простая и прямолинейная вещь. Думать он не умеет. Он умеет лишь слепо, байт за байтом исполнять инструкции, которые ему подсунули. Можно привести грубый пример последовательности инструкций:

Байт инструкции Что он означает для процессора
00001001 означает: взять следующий байт и запомнить его в ячейке №1
00000110 …это как раз следующий байт, который мы запоминаем в ячейке №1: число 5
00011001 означает: отнять от значения в ячейке №1 единицу и оставить там обновлённый результат
00101001 означает: сравнить значение в ячейке №1 с нулём и если оно ноль — перепрыгнуть через столько байт, сколько указано в следующем байте
00000100 …если результат был ноль, мы хотим прыгнуть через 4 байта, к предпоследней инструкции
10000011 означает, что мы хотим вывести на экран символ, код которого записан в следующем байте
01000001 …букве «A» как раз соответствует этот код
00101000 означает, что мы хотим прыгнуть назад на столько байт, сколько указано в следующем байте
00000110 …прыгать будем на 6 байт назад, к инструкции №3
10000011 означает, что мы хотим вывести на экран символ, код которого записан в следующем байте
00100001 …знаку «!» как раз соответствует этот код

В результате исполнения такой последовательности инструкций на экран будет выведена паническая фраза «АААА!».

Довольно много кода для такой простой цели! Понятно, что если бы все программы писались вот так, непосредственно, разработка сложных продуктов занимала бы века.

Зачем нужны языки программирования

Для упрощения задачи в миллион раз были придуманы языки программирования. Их очень много и даже из тех, что постоянно на слуху можно быстро вспомнить десяток-другой: Assembler, C, C++, C#, Java, Python, Ruby, PHP, Scala, JavaScript.

Программы на этих языках гораздо ближе к естественному языку человека. А следовательно их проще, быстрее и приятнее писать, а что самое главное, их гораздо проще читать: вам сразу после написания, вам через год или вашему коллеге.

Проблема в том, что такие языки не понятны процессору и перед тем как отдать ему эту программу, её нужно скомпилировать: перевести с естественного языка в те самые инструкции в виде нулей и единиц. Этим занимаются программы, которые называются компиляторами. У каждого языка, если только он не остался на уровне фантазий, есть свой компилятор. Для популярных языков их обычно несколько на выбор, от разных производителей и для разных платформ. Большинство из них свободно доступно в интернете.

Итак, есть программы на вполне понятном человеку языке: их ещё называют «исходным кодом», просто «кодом» или «исходниками». Они пишутся в простые текстовые файлы с помощью любого текстового редактора, хоть с помощью notepad. Затем они превращаются в понятные процессору наборы нулей и единиц с помощью компилятора: компилятор получает на вход исходный код, а на выходе создаёт бинарный исполняемый файл, тот самый, понятный процессору.

Бинарные файлы не пригодны для чтения и предназначены, в общем, лишь для исполнения процессором. Они могут иметь разный тип в зависимости от того для чего получены: .exe — это программы для Windows, .hex — программы для исполнения микроконтроллером типа Arduino и т.п.

Почему же существует столько языков программирования и в чём разница?

  • Почему? Потому что на Земле много людей и компаний, и многие считали, что могут сделать лучше всех: удобнее, понятнее, быстрее, стройнее.
  • В чём разница: разные языки — это разный баланс скорости написания, понятности при чтении и скорости исполнения.

Посмотрим на одну и ту же программу, которая выводит на экран песенку про 99 бутылок пива на разных языках программирования.

Например, язык Perl. Пишется быстро; понять, что имел в виду программист невозможно; исполняется медленно:

sub b{$n=99-@_-$_||No;"$n bottle"."s"x!!--$n." of beer"};$w=" on the wall";
die map{b."$w,\n".b.",\nTake one down, pass it around,\n".b(0)."$w.\n\n"}0..98

Язык Java. Пишется относительно долго; читается просто; исполняется довольно быстро, но занимает много памяти:

class bottles
{
    public static void main(String args[])
    {
        String s = "s";
        for (int beers=99; beers>-1;)
        {
            System.out.print(beers + " bottle" + s + " of beer on the wall, ");
            System.out.println(beers + " bottle" + s + " of beer, ");
            if (beers==0)
            {
                System.out.print("Go to the store, buy some more, ");
                System.out.println("99 bottles of beer on the wall.\n");
                System.exit(0);
            }
            else
                System.out.print("Take one down, pass it around, ");
            s = (--beers == 1) ? "" : "s";
            System.out.println(beers + " bottle" + s + " of beer on the wall.\n");
        }
    }
}

Язык Assembler. Пишется долго; читается сложно; исполняется очень быстро:

code segment
assume cs:code,ds:code
org 100h
start:
 
 
; Main loop
 
mov cx, 99                    ; bottles to start with
 
loopstart:
 
call printcx                  ; print the number
mov dx,offset line1           ; print the rest of the first line
mov ah,9                      ; MS-DOS print string routine
int 21h
 
call printcx                  ; print the number
mov dx,offset line2_3         ; rest of the 2nd and 3rd lines
mov ah,9
int 21h
 
dec cx                        ; take one down
call printcx                  ; print the number
mov dx,offset line4           ; print the rest of the fourth line
mov ah,9
int 21h
 
cmp cx, 0                     ; Out of beer?
jne loopstart                 ; if not, continue
 
int 20h                       ; quit to MS-DOS
 
 
; subroutine to print CX register in decimal
 
printcx:
 
mov di, offset numbufferend   ; fill the buffer in from the end
mov ax, cx                    ; put the number in AX so we can divide it
 
printcxloop:
mov dx, 0                     ; high-order word of numerator - always 0
mov bx, 10
div bx                        ; divide DX:AX by 10. AX=quotient, DX=remainder
add dl,'0'                    ; convert remainder to an ASCII character
mov [ds:di],dl                ; put it in the print buffer
cmp ax,0                      ; Any more digits to compute?
je printcxend                 ; if not, end
dec di                        ; put the next digit before the current one
jmp printcxloop               ; loop
 
printcxend:
mov dx,di                     ; print, starting at the last digit computed
mov ah,9
int 21h
ret
 
 
; Data
 
line1 db ' bottles of beer on the wall,',13,10,'$'
line2_3 db ' bottles of beer,',13,10,'Take one down, pass it around,',13,10,'$'
line4 db ' bottles of beer on the wall.',13,10,13,10,'$'
numbuffer db 0,0,0,0,0
numbufferend db 0,'$'
 
code ends
end start

На чём программируется Arduino

Если говорить об Arduino или о микроконтроллерах от компании Atmel, на каком языке можно писать программы для них? Теоретический ответ: на любом. Но на практике, выбор ограничивается языками Assembler, C и C++. Это связанно с тем, что в сравнении с настольным компьютером у них очень ограниченные ресурсы. Килобайты памяти, а не гигабайты. Мегагерцы на процессоре, а не гигагерцы. Это плата за дешевизну и энергоэффективность.

Поэтому нужен язык, который может компилироваться и исполняться эффективно. То есть переводиться в те самые нули и единицы из инструкций как можно оптимальнее, без расходов драгоценных инструкций и памяти в пустую. Подобной эффективностью как раз и обладают названные языки. Используя их даже в узких рамках ресурсов микроконтроллера, можно писать богатые возможностями программы, которые работают быстро.

Assembler, как вы видели, нельзя назвать самым простым и элегантным и, как результат, флагманским языком для Arduino является C/C++.

Во многих источниках говорится, что Arduino программируется на языке Arduino, Processing, Wiring. Это не совсем корректное утверждение. Arduino программируется на C/C++, а то, что называется этими словами — это просто удобный «обвес», который позволяет решать многие типичные задачи, не изобретая велосипед каждый раз.

Почему C и C++ упоминаются в одном предложении? C++ — это надстройка над C. Всякая программа на C является корректной программой для C++, но не наоборот. Вы можете пользоваться и тем и другим. Чаще всего вы даже не будете задумываться о том, что используете, решая текущую задачу.

Ближе к делу: первая программа

Давайте напишем первую программу для Arduino и заставим плату её исполнять. Вам необходимо создать текстовый файл с исходным кодом, скомпилировать его и подсунуть полученный бинарный файл микроконтроллеру на плате.

Пойдём по порядку. Напишем исходный код. Можно написать его в блокноте или любом другом редакторе. Однако для того, чтобы работа была удобной, существуют так называемые среды разработки (IDE: Integrated Development Environment). Они в виде единого инструмента предоставляют и текстовый редактор с подсветкой и подсказками, и компилятор, запускаемый по кнопке, и много других радостей. Для Arduino такая среда называется Arduino IDE. Она свободно доступна для скачивания на официальном сайте.

Установите среду и запустите её. В появившемся окне вы увидите: большая часть места отдана текстовому редактору. В него и пишется код. Код в мире Arduino ещё называют скетчем.

Итак, давайте напишем скетч, который ничего не делает. То есть минимально возможную правильную программу на C++, которая просто прожигает время.

void setup()
{
}
 
void loop()
{
}

Не будем пока заострять внимание на значении написанного кода. Скомпилируем его. Для этого в Arduino IDE, на панели инструментов есть кнопка «Verify». Нажмите её и через несколько секунд бинарный файл будет готов. Об этом возвестит надпись «Done compiling» под текстовым редактором.

В результате, у нас получился бинарный файл с расширением .hex, который может исполнять микроконтроллер.

Теперь необходимо подсунуть его Arduino. Этот процесс называется загрузкой, прошивкой или заливкой. Для выполнения загрузки в Arduino IDE, на панели инструментов есть кнопка «Upload». Соедините Arduino с компьютером через USB-кабель, нажмите «Upload» и через несколько мгновений программа будет загружена в Arduino. При этом программа, которая была там ранее будет стёрта.

Об успешной прошивке возвестит надпись «Done Uploading».

Если при попытке загрузки вы столкнулись с ошибкой убедитесь, что:

  1. В меню Tools → Board выбран тот порт, к которому действительно подключена Arduino. Можете повставлять и повынимать USB-кабель, чтобы понять какой порт появляется и исчезает: это и есть Arduino.
  2. Вы установили необходимые драйверы для Arduino. Это необходимо для Windows, не требуется под Linux и необходимо только для старых плат до Arduino Duemilanove на MacOS.

Поздравляем! Вы прошли весь путь от чистого листа до работающей программы в Arduino. Пусть она ничего и не делает, но это уже успех.