Языки программирования

Итак, у вас есть процессор. Вы наверняка понимаете, что процессор можно как-то запрограммировать, чтобы он делал то, что вы хотите. Но чтобы сделать какую-то полезную работу, необходимо сперва написать полезную программу и отдать её процессору для исполнения.

В целом, неважно, с каким именно процессором вы имеете дело: это может быть последний Intel Pentium в вашем ноутбуке или микроконтроллер на плате Arduino. Общие принципы написания программы, т. е. программирования, в обоих случаях одни и те же. Различается лишь быстродействие и объём возможностей по работе с другими устройствами.

Процессор, несмотря на всю сложность разработки и производства, по сути своей, довольно простая и прямолинейная вещь. Думать он не умеет: то есть, ставить новые задачи, искать и находить решения нетиповых уникальных задач процессор не может (и не сможет). Он умеет лишь тупо, байт за байтом, команда за командой, исполнять инструкции, которые ему подсунули. Этакий тупой, но ненасытный пожиратель команд и хладнокровный исполнитель инструкций. Можно привести грубый пример последовательности инструкций:

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. А если ещё принять во внимание, что процессоры разрабатываются и производятся во множестве различных архитектур и систем команд (инструкций), то написание идентичной по алгоритму программы для процессоров различных архитектур и систем команд потребует многократного увеличения времени как на их изучение и освоение, так и непосредственно на написание собственного кода для каждого оригинального процессора.

Для решения двуединой задачи: упрощения написания и понимания программ человеком, а также для исключения зависимости исходного кода программы от "железа" (от системы команд-инструкций конкретного процессора) были придуманы и созданы 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. Следовательно, их проще, быстрее и приятнее писать. И что самое главное, их гораздо проще читать: вам сразу после написания, вам через год или вашему коллеге.

Проблема в том, что такие языки непонятны процессору, и перед тем, как дать ему эту программу на выполнение, её нужно транслировать (translate): перевести с естественного языка на язык процессора (на машинный язык). Трансляция-перевод может осуществляться непосредственно слово за словом (выражение за выражением) — это осуществляют программы-интерпретаторы языков (англ. interpreter — истолкователь). Их действие аналогично синхронному переводу, когда переводчики-синхронисты переводят фразы, выражающие законченный смысл, в темпе их произнесения или поступления. Трансляция-перевод может осуществляться и всего текста (листинга) программы целиком — это осуществляют программы-компиляторы (англ. compiler — составитель, собиратель). Их действие схоже с переводом обычных законченных текстов. У каждого языка, если только он не остался на уровне фантазий, есть свой транслятор-переводчик: либо интерпретатор либо компилятор, или и тот, и другой. 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 транслятора (интерпретатора или компилятора), который интерпретирует исходный код и непосредственно выполняет заключённые в нём инструкции, используя ресурсы процессора, а компилятор получает на вход исходный код, а на выходе создаёт бинарный (двоичный) исполняемый файл, тот самый, который понятен процессору и называется исполняемой программой.

Бинарные файлы непригодны для чтения людьми и предназначены, в общем, лишь для исполнения процессором. Они могут иметь разный тип в зависимости от того, для чего получены: .exe — это файл исполняемой программы для операционной системы Windows, .hex — это файл исполняемой программы, приготовленный для загрузки на выполнение микроконтроллером типа Arduino, т. е. для выполнения практически на «чистом железе» (без ОС и прочих системных программ).

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

Если говорить об Arduino или о микроконтроллерах 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 впустую. 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, естественно, как результат, флагманским языком для Arduino является C/C++.

Во многих источниках говорится, что Arduino программируется на особом языке: Processing, Wiring. Это не совсем корректное утверждение. Контроллер программируется на C/C++, а то, что называется этими словами — это просто удобный «обвес», который позволяет решать многие типичные задачи, скрывая частности и детали, да 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.

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 ардуинок такая среда называется Arduino IDE. Она свободно доступна для скачивания на нашем сайте.

Установите среду и запустите её. В появившемся окне вы увидите, что большая часть места отдана текстовому редактору. В него и пишется код. Код в мире Arduino ещё называют скетчем (англ. sketch — набросок, эскиз). К слову, «скетч» как имя нарицательное пришло в мир искусства программирования из мира искусства и художников.

Итак, давайте напишем скетч (набросаем эскиз), 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 контроллеру. Этот процесс называется загрузкой, прошивкой или заливкой. Для загрузки полученной программы на устройство в среде Arduino IDE есть кнопка «Upload» на панели инструментов. Соедините вашу плату с компьютером через USB-кабель, нажмите «Upload», и через несколько мгновений программа будет загружена в ардуинку. При этом программа, которая была в контроллере 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 вынуть и вставить пару-тройку раз USB-кабель, чтобы понять какой порт появляется и исчезает: это и есть ваша плата.
2. Вы установили необходимые драйверы для вашей платы. Это необходимо для Windows, не требуется под Linux и необходимо только для старых плат на MacOS.

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