Arduino 語言的架構

Arduino 程式與 C 語言程式很相似，但語法更簡單而且易學易用，完全將微控制器中複雜的暫存器設定寫成函數，使用者只需輸入參數即可。 Arduino 程式主要由結構 ( structure )、數值 ( values ) 及函式 ( functions ) 等三個部分組成。

Arduino 的程式結構包含 setup( ) 及 loop( ) 兩個函式。 setup( ) 函式用來初始化變數、設定接腳模式為輸入 ( INPUT ) 或輸出 ( OUTPUT ) 等。 在每次通電或重置 Arduino 電路板時，setup( ) 函式只會被執行一次。 loop( ) 函式用來設計程式控制 Arduino 電路板所需的功能，並且重複執行。

void setup()
{
   //初始化變數、設定接腳模式等。
}

void loop()
{
  //控制程式。
}

☛ Arduino 的變數與常數

在 Arduino 程式中常使用變數 ( variables ) 與常數 ( constants ) 來取代記憶體的實際位址，好處是程式設計者不需要知道那些位址是可以使用的，而且程式將會更容易閱讀與維護。 一個變數或常數的宣告是為了保留記憶體空間給某個資料來儲存，至於是安排哪一個位址，則是由編譯器統一來分配。

變數名稱

Arduino 的變數命名規則與 C 語言相似，必須是由英文字母、數字或底線符號 ” _ ” 之後，再緊接著字母或數字，並且第一個字元不可以是數字。 因此,在命名變數名稱時，應該以容易閱讀為原則。

資料形態

由於每一種資料形態( Data types ) 在記憶體中所佔用的空間不同，因此在宣告變數的同時，也必須指定變數的資料形態，如此編譯器才能配置適當的記憶體空間給這些變數來存放。 在Arduino 語言中所使用的資料形態大致可分為布林、整數及浮點數等三種，其中整數資料形態有 char ( 字元 )、int ( 整數 )、long ( 長整數 ) 等三種，配合 signed ( 有號數 )、unsigned ( 無號數 ) 等前置修飾字組合，可以改變資料的範圍。 浮點數資料形態有 float、double 兩種，常應用於需要更高解析的類比輸入值。 另外，布林資料形態 boolean 定義範圍為 true 及 false，是用來提高程式的可讀性。

變數宣告

宣告一個變數，必須指定變數的名稱及資料形態，當變數的資料形態指定後，編譯器將會配置適當的記憶體空間來儲存這個變數。 宣告範例如下:

int ledPin=10;          //宣告整數變數 ledPin,初始值為 10。    
char myChar='A';        //宣告字元變數 myChar,初始值為 'A'。
float sensorVal=12.34;  //宣告浮點數變數 sensorVal,初始值為 12.34。

如果一個以上的變數具有相同的資料形態，也可以只用一個資料形態來宣告，被宣告的變數之間以逗號分開。 如果變數有初始值時，也可以在宣告變數的同時一起設定。 宣告範例如下:

int year=2017,moon=7,day=15;    //宣告整數變數 year、moon、day 及其初始值。

變數的生命週期

所謂變數的生命週期是指變數保存某個數值，佔用記憶體空間的時間長短，可以區分為區域變數 ( local variables ) 及全域變數 ( global variables ) 兩種。

全域變數被宣告在任何函式之外，當執行 Arduino 程式時，全域變數即被產生並且配置記憶體空間給這些全域變數，在程式執行期間，都能保存其數值，直到程式結束執行時，才會釋放這些佔用的記憶體空間。 全域變數並不會禁止與其他無關的函式作存取動作，因此在使用上要特別小心，避免變數數值可能被不經意的更改。 因此，除非有特別需求，否則還是盡量使用區域變數。

區域變數又稱為自動變數，被宣告在函式的大括弧 ” {} ” 之內，當函式被呼叫使用時，這些區域變數就會自動產生，系統會配置記憶體空間給這些區域變數，當函式結束時，這些區域變數又自動的消失並且釋放所佔用的記憶體空間。

int total;                    //全域變數 total 在所有函式內皆有效。
void setup()
{
     // .....
}
void loop()
{
    int i;                    //區域變數 i 只有在 loop() 函式內才有效。
    for(int j=0;j<100;j++)    //區域變數 j 只有在 for 迴圈內才有效。
    {
         // .....
    }
}

變數形態轉換

在 Arduino 程式中，可以使用 char(x)、byte(x)、int(x)、word(x)、long(x)、float(x) 等資料形態轉換函式來改變變數的資料形態，引數 x 可以是任何形態的資料。

☛ 運算子 ( operator )

電腦除了能夠儲存資料外，還必須具備運算的能力，而在運算時所使用的符號，即稱為運算子 ( operator )。 常用的運算子可分為算術運算子、關係運算子、邏輯運算子、位元運算子及指定運算子等。 當敘述中包含不同運算子時，Arduino 微控制器會先執行算術運算子，其次是關係運算子，最後才是邏輯運算子。 我們可以使用小括弧 ( ) 來改變運算的順序。

算數運算子 ( Arithmetic operators )

當算式中有一個以上的算術運算子時，將會先進行乘法、除法與餘數的運算，然後再計算加法與減法。 當算式中的算數運算子具有相同優先順序時，執行順序由左至右，先計算括弧中的運算式，再計算其他運算。

程式範例如下:

void setup()
{
}

void loop()
{
     int a=20,b=3;
     int c,d,e,f;

     c=a+b;            //加法運算
     d=a-b;            //減法運算
     e=a/b;            //除法運算
     f=a%b;            //餘數運算
     a++;              //遞增
     b--;              //遞減
}

關係運算子 ( Comparison Operators )

關係運算子會比較兩個運算元的值，然後傳回布林值 ( boolean )。 比較運算子的優先順序全都相同，依照出現的順序由左而右依序執行。

程式範例如下:

const LEDPin=13;
void setup()
{
    pinMode(LEDPin,OUTPUT);
}

void loop()
{
    int x=200;
    if(x>100) // x 大於 100?
       digitalWrite(LEDPin,HIGH);    //若 x 大於 100,則點亮 LED
    else // x 小於或等於 100
       digitalWrite(LEDPin,LOW);     //x 小於或等於 100,則關閉 LED
}

邏輯運算子 ( Boolean Operators )

在邏輯運算子中，凡是非 0 的數即為真 ( true )，若為 0 即為假 ( false )。 對及( AND) 運算而言，兩數皆為真時，結果才為真。 對或 (OR ) 運算而言，有任一數為真時，其結果即為真。 對反 ( NOT ) 運算而言，若數值為真，經反運算後即為假。 反之,若數值為假，經反運算後即為真。

程式範例如下:

void setup () {

}

void loop() {
    boolean a=true,b=false,c,d,e;  // 宣告布林變數 a,b,c,d,e
    c=a&&b;                        // a,b 兩變數作邏輯 AND 運算
    d=a|| b;                       // a,b 兩變數作邏輯 OR 運算
    e=!a;                          // a 變數作邏輯 NOT 運算
}

位元運算子 ( Bitwise Operators )

位元運算元是將兩變數的每一個位元皆作邏輯運算，因此位元值 1 為真，位元值 0 為假。 對位元右移運算而言，若變數為無號數，則執行位元右移運算後，填入的位元值為 0 ，若變數為有號數，則填入的位元值為最高有效位元。 對左移位元運算而言，無論無號數或有號數，填入位元值皆為 0。

程式範例如下:

void setup () {
}

void loop() {
     char a=0b00100101;          //宣告字元變數 a=0b00100101 ( 二進位 )
     char b=0b11110000;          //宣告字元變數 b=0b11110000 ( 二進位 )
     char c=0x80;                //宣告字元變數 c=0x80 ( 十六進位 )
     unsigned char d,e,f,l,m,n;  //宣告無號字元變數 d,e,f,l,m,n

     d=a&b; //a,b 兩變數執行位元 AND 邏輯運算
     e=a|b;                      //a,b 兩變數執行位元 OR 邏輯運算
     f=a^b;                      //a,b 兩變數執行位元 XOR 邏輯運算
     l=~a;                       //a 變數執行位元反 NOT 邏輯運算
     m=b<<1;                     //b 變數內容左移 1 位元
     n=c>>1;                     //c 變數內容右移1位元
}

複合運算子 ( Compound Operators )

複合運算子是將運算子與等號結合以簡化運算式。

運算子的優先順序

當運算式中有超過一個以上的運算子時，就必須考慮到運算的優先順序，如果不能確定運算子的優先順序，建議最好使用小括弧 ( ) ，將必須優先運算的運算式先括起來，比較不會產生錯誤。