Почему многие не любят Arduino

Не задумывались ли вы, почему специалисты/профессионалы в области микроконтроллеров и автоматизации относятся к тем, кто работает с Arduino примерно так, как будто они занимаются чем-то не серьёзным, вроде игры в песочнице?


Примерно так же к ардуино относится и мой кот Вася.

Собственно для этого я и сделал видео, где наглядно, при помощи осциллографа, покажу и расскажу, с моей точки зрения, почему так. Постараюсь высветлить явные плюсы и минусы темы Arduino:

Для начала следует сказать, что Arduino это не так уж плохо как может показаться. Именно благодаря ардуино появилось на свет множество самых разных проектов, которые бы так и не воплотились в жизнь, из-за очень большого количества информации, которую нужно «переварить» чтобы их реализовать. Ни для кого не секрет, что на ардуино делать какие-то устройства значительно проще, да и к тому же быстрее. Именно из-за этого я и начал увлекаться темой микроконтроллеров. И постепенно я начал перерастать всякие digitalWrite(13, HIGH); и переходить на PORTB = 32;, так как желание повышения производительности моих девайсов возрастало.

Вот так выглядит код обычной «мигалки» на привычном для «ардуинщика» языке:

Открыть спойлер

//Привет geektimes

void setup() {
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(13, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(13, LOW);
  delay(1000);
}

Я думаю многим знаком этот пример, потому что это классическое упражнение «здравствуй мир», которое призвано максимально снизить порог вхождения в тему программирования микроконтроллеров Arduino.

Давайте посмотрим как бы это выглядело если мы пошли путём не наименьшего сопротивления используя регистры микроконтроллера:

Открыть спойлер

//Привет geektimes

#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>

int main( void )
{
  DDRB |= (1 << 5);     // вывод PB5 как выход
  while (1) { // вечный цикл, аналог loop() 
    PORTB &= ~(1 << 5); // низкий уровень на выводе PB5
    _delay_ms(1000); // задержка 1000 миллисекунд 
    PORTB |= (1 << 5);  // высокий уровень на выводе PB5
    _delay_ms(1000);
  }
  return 0;
}

Данные примеры, как видите, потребляют 1030 и 176 байт в Flash, то есть проигрыш в этом плане у ардуиншиков почти в 6 раз. Я специально во втором примере добавил комментарии что какая строчка делает, чтобы упростить понимание происходящего. Да, можно было полностью расписать что да как работает, ��о моя статья не об этом, так что задаю вам вектор для развития, ардуинщики.

Сейчас речь пойдёт о использовании ресурсов микроконтроллера, которые не безграничны, и если их бездумно расходовать то они приведут, в лучшем случае, к непонятным ругательствам среды разработки, а в худшем — дней разбирательств почему оно корректно не работает, сотни итераций кода в уме, строчка за строчкой, а причиной этого может оказаться мистика срыв стека микроконтроллера.



Но давайте вернёмся к нашим баранам среде разработки Arduino IDE.
Обратите внимание на использование памяти в двух примерах, чтобы вам не метаться по страничке вверх вниз, вот два кода на одном скрине:



Первое что бросается в глаза — размер кода, если писать на обычном языке Arduino IDE то он выглядит немного компактнее. А если бы я взял какой-то более сложный код, например ReadAnalogVoltage который считывает напряжение на нулевом аналоговом порте пине, преобразует его в вольты и выводит в сериал, если всё это прописать используя регистры микроконтроллера, то получится в несколько раз больше кода. Но в данном случае больше не всегда значит хуже, я бы даже сказал наоборот. Почему так? Об этом я расскажу ниже.

Так же обратите внимание на то, сколько памяти потребляют оба примера, код на языке ардуино «съедает» значительно больше памяти и давайте сейчас разберёмся почему так.

В папке среды разработки по пути \hardware\arduino\avr\cores\arduino лежит ядро Arduino, там есть файл wiring_digital.c, где собственно и прописана наша «прожорливая» функция digitalWrite, мы встретим там следующие строчки:

void digitalWrite(uint8_t pin, uint8_t val)

void digitalWrite(uint8_t pin, uint8_t val)
{
	uint8_t timer = digitalPinToTimer(pin);
	uint8_t bit = digitalPinToBitMask(pin);
	uint8_t port = digitalPinToPort(pin);
	volatile uint8_t *out;

	if (port == NOT_A_PIN) return;

	// If the pin that support PWM output, we need to turn it off
	// before doing a digital write.
	if (timer != NOT_ON_TIMER) turnOffPWM(timer);

	out = portOutputRegister(port);

	uint8_t oldSREG = SREG;
	cli();

	if (val == LOW) {
		*out &= ~bit;
	} else {
		*out |= bit;
	}

	SREG = oldSREG;
}

Вы только посмотрите, сколько работы она делает вместо того чтобы просто задать состояние порта(как например вот так PORTB = 32;). А сделано это неспроста, так как у ардуино низкий порог вхождения, как я высказался выше, тут присутствуют разные проверки аля «защита от дурака». Например, если новичок по глупости забыл задать порт пин как выход, чтобы тот не перешёл в состояние Hi-Z(о котором ещё новичок не подозревает, скорее всего) и таким образом отпугнул его при первой же ошибке. Но за это приходиться платить повышенным потреблением ресурсов, как вы сами видите.

А теперь давайте перейдём к осциллографу, как я и обещал в начале статьи.



У меня есть две идентичные китайские Arduino Pro Mini которые размещены на одной и той же макетной плате, то есть у них будут одинаковые условия. Давайте прошьём одну из них «мигалку» только без задержек и посмотрим что будет на экране осциллографа:



Один пример написан на языке ардуино, а второй работает непосредственно с регистрами:



Синий луч осциллографа(КАН2) — это обычный ардуиновский код, как можно видеть, частота переключений из логической единицы в логический ноль у жёлтого луча(КАН1) больше:



2.67 против 0.094 МГц, разумеется что емкость порта микроконтроллера не даёт получить чистый меандр как в случае кода ардуино, но если присмотреться, то и там фронты далеко не чистые:



Получается проигрыш производительности в данном случае — 28 раз. Разумеется что это не значит, что ардуино работает в 28 раз медленнее, но я считаю, что для наглядности, это лучший пример того, за что не любят ардуино.

Ещё, я не люблю тему ардуино, за все эти красивые разноцветные модули, которые по большей части можно изготовить самостоятельно, а продают их втридорога, будто там золотые проводники вместо медных.



Вот пример того, как можно самостоятельно, за копейки, создать полезный модуль. Но порой меня лень преодолевает и тоже покупаю, потому что не всегда есть время или желание на это.

Должен признаться я и сам «ардуиншик», и работаю по большей с Arduino платами, например копия Pro Mini у китайцев стоит не так уж дорого, разумеется что дешевле «голого» микроконтроллера, но как я уже сказал выше, не всегда находиться время и желание заниматься разводкой платы с нуля, лично мне проще интегрировать в проект Arduino плату, особенно недорогие Arduino Pro Mini или немного более продвинутую Arduino Nano.

Так же, я люблю работать из средой разработки Arduino IDE, не взирая на её ограничения и неудобства, она может запуститься сразу, без каких либо настроек, просто скачал ZIP архив, распаковал куда нужно и всё, можно приступать к работе, да и к тому же занимает не особо много места если сравнивать с более профессиональным софтом, например Atmel Studio. И ещё, тут есть одна полезная фишка — автоформатирование(комбинация клавиш Ctrl+T):



Разумеется есть такое понятие как «правило хорошего тона», и себя нужно приучивать к этому с самого начала, но если есть такая фитча то почему бы её не пользоваться?

Ещё из удобств в Arduino IDE появилась возможность в настройках включать нумерацию строк и сворачивание кода:



Последний пункт заметно улучшает навигацию кода и уже немного, но приближает, к более профессиональным решениям.

К тому же Arduino IDE, как вы заметили, умеет «переваривать» не только свой язык но и Си и даже ассемблер.

P.S. Вообщем суммируя написанное в статье и сказанное в видеоролике выше, Сергей ПоделкинЦ хотел бы всем пожелать развиваться, ардуино это не предел тех возможностей которые даёт мир микроконтроллеров, правильно же говорит народная мудрость «Век живи — век учись».

Ссылки по теме:

Всё новое — хорошо забытое старое;

Свежая версия Arduino IDE лежит тут;

Arduino на википедии;

Как экономить память на Arduino?;

Все мои публикации на geektimes.