Mikrokontrolery avr język c podstawy programowania
1. Mikrokontrolery AVR, język C, podstawy
programowania
Niniejsza darmowa publikacja zawiera jedynie fragment pełnej
wersji całej publikacji.
Aby przeczytać ten tytuł w pełnej wersji kliknij tutaj.
Niniejsza publikacja może być kopiowana, oraz dowolnie rozprowadzana tylko i wyłącznie
w formie dostarczonej przez Wydawnictwo KRAM. Zabronione są jakiekolwiek zmiany w
zawartości publikacji bez pisemnej zgody Wydawnictwa KRAM - wydawcy niniejszej
publikacji. Zabrania się jej odsprzedaży.
Pełna wersja niniejszej publikacji jest do nabycia w
sklepie internetowym
http://witmir.pl
2. Styczeń 2011
ATNEL
Mikrokontrolery AVr
WYDAWNICTWO
język C
podstAwy progrAMowAniA
Mirosław Kardaś
Mojej Żonie – Kasi
8. Przedmowa
Strona | 7
Stale rosnące zainteresowanie językiem C, dla mikrokontrolerów serii AVR firmy ATMEL,
powoduje duże zapotrzebowanie na wszelkiego rodzaju kursy, poradniki, e-booki czy też
książki. Z tymi ostatnimi jest niestety bardzo słabo. a to dlatego, że po prostu nie istniała
dotąd żadna pozycja, która dotyczyłaby właśnie języka C oraz rodziny AVR.
Postanowiłem napisać tę książkę, by pomóc wszystkim, chcącym poznać od podstaw tajniki
tego uniwersalnego języka programowania. Ma ona za zadanie,w możliwie najprostszy
sposób wprowadzić do świata C także te osoby, które do tej pory nie miały żadnego kontaktu
z programowaniem i stoją na rozdrożu, próbując zdecydować się, jakiego języka zacząć się
uczyć, aby efektywnie i szybko programować mikrokontrolery.
Dlaczego C? W zamierzchłych czasach, gdy powstawały pierwsze mikroprocesory, rozwój
oprogramowania był ściśle związany ze specyficznym językiem maszynowym każdego
mikroprocesora. Powodowało to konieczność pisania programów dla ściśle określonych
urządzeń. Języki najniższego poziomu, asemblery bazują na ‘mnemonikach’, które zastępują
prawdziwy język ‘numeryczny’ zrozumiały dla procesora. Jednak, aby nie trzeba było pisać
programów w postaci ciągu cyfr w systemie szesnastkowym typu: 0x3A, 0x1B, 0x41, 0x05,
co miałoby spowodować załadowanie np. liczby 22 do określonej komórki pamięci RAM,
można posługiwać się mnemonikami takich rozkazów. Dzięki czemu powyższy ciąg cyfr
zastąpić można w asemblerze poleceniem o wieleprzyjaźniejszym dla oka, np.: MOV BUFOR,
22. Kompilator asemblera przetłumaczy sam taką mnemonik na ciąg cyfr zrozumiały dla
konkretnego mikrokontrolera, które zostały przedstawione wyżej. Reasumując, asembler
jest najniższą formą kodu maszynowego, dającego się zrozumieć przez człowieka. Pisanie
programów w czystym asemblerze jest jak najbardziej możliwe i jeśli ktoś ma wieloletnie
doświadczenie, pozwala to na osiąganie znacznej wydajności programu napisanego w ten
sposób. Jak wspomniałem, aby efektywnie i dobrze pisać programy w języku najniższego
poziomu, trzeba poświęcić wiele lat na naukę, a pomimo to nadal pisanie większych
programów staje się bardzo uciążliwe, długotrwałe oraz wymaga czasu na przetestowanie
i sprawdzenie wszelkiego rodzaju błędów. Na dodatek program napisany w specyficznym
kodzie maszynowym jednego procesora będzie bardzo trudny do przeniesienia na inny typ.
Czasem będzie to w ogóle niemożliwe i spowoduje konieczność napisania programu od
początku. W związku z powyższym ogromny wkład pracy w napisanie programu zostaje
niejednokrotnie zniweczony, gdy przychodzi zmiana założeń i konieczność zastosowania w
urządzeniu innego typu mikroprocesora, a czasu na modyfikację i sprawdzenie działania jest
niewiele. W takim momencie bardzo pomocny okazuje się język C. Jest to język ogólnego
przeznaczenia, który może pracować na każdym mikrokontrolerze, dla którego stworzony
jest kompilator C. W dzisiejszych czasach praktycznie nie ma procesorów, których nie można
byłoby programować w C, za to zdarzają się już takie przypadki, gdzie producent wręcz nie
dostarcza asemblera do swoich produktów, w zamian dając tylko kompilator C. Dzięki C
można: szybko i łatwo poruszać się między różnymi rodzinami mikrokontrolerów, o wiele
szybciej, efektywniej i wydajniej pisać i testować programy, a także tworzyć kod, który jest
o wiele łatwiejszy do nauki, zrozumienia i zapamiętania.
9. Strona | 8
1 Wstęp
Odkąd poznałem język C, byłem oczarowany jego możliwościami, prostotą i logiką
programowania. Obecnie zauważam specyficzne podejście wielu osób, które po pierwszych
próbach samodzielnej nauki C szybko się zniechęcają z powodu rzekomej dużej trudności i
zawiłości zasad tego języka. Tymczasem prawdziwym powodem jest nierzadko brak literatury
opisującej zasady języka C w oparciu o praktyczne przykłady, dzięki którym można z marszu
rozwiązywać dużą część swoich początkowo przyziemnych problemów. Rzadko, kiedy książka
na temat języka C, a szczególnie w aspekcie programowania mikrokontrolerów AVR, jest
pisana dla osób, które nie mają jeszcze żadnego doświadczenia z programowaniem w ogóle.
Sporo doświadczeń do napisania tej książki zebrałem podczas prowadzenia kursów języka
AVR GCC dla procesorów AVR. Zatem jednym z celów, do których dążę w tej książce, jest
próba przybliżenia i zainteresowania tym niezwykle przyjemnym i łatwym językiem osób,
które właśnie stoją na rozdrożu i muszą podjąć ciężki wybór. W którą stronę pójść, aby w
efektywny i łatwy sposób programować całą rodzinę mikrokontrolerów AVR Język C często
traktowany jest jako narzędzie dla specjalistów a nie amatorów, hobbystów itp. Postaram
się, więc przełamać te mity i udowodnić, że każdy po przeczytaniu tej książki będzie potrafił
napisać samodzielnie przynajmniej proste programy ze zrozumieniem podstawowych zasad
tego języka. Ponieważ jednak języka C ciężko uczyć się od strony praktycznej w oderwaniu
od sprzętu, czyli w naszym konkretnym przypadku od mikrokontrolerów serii, AVR, dlatego
konieczne będzie także przybliżenie zasad działania procesorów tej rodziny. Większość
przykładów będzie odwoływała się do mikrokontrolerów serii ATmega, ale postaram się
pokazać, że dzięki temu, iż korzystać będziemy z C to zaprogramowanie mikrokontrolerów
z serii ATtiny nie będzie się praktycznie niczym różniło. Jedyne różnice, jakie wystąpią
w tym przypadku, to pewne ograniczenia wynikające z możliwości sprzętowych. Dzięki
powyższym założeniom książka ta skierowana jest do bardzo szerokiego grona czytelników,
którzy usilnie poszukują wszelkich informacji na te tematy. Będę starał się używać prostego,
czasem potocznego języka, aby przybliżyć bardziej skomplikowane zagadnienia. Na pierwszy
rzut oka struktura książki może wydać się nieco chaotyczna, gdyż nie opisuję w niej po
kolei całych zagadnień w oderwaniu od siebie. Nie znajdzie się tu pierwszej części, w której
będzie w kilku kolejnych rozdziałach opisana rodzina mikrokontrolerów AVR. Nie znajdzie
się kolejnej, gdzie będzie opisany czysty język C i nie znajdzie następnych rozdziałów
osobno traktujących o środowiskach programistycznych, o programatorach czy o sposobach
wgrywania programów fizycznie do mikrokontrolera. Przyjąłem założenie, iż książka będzie
napisana w postaci kursu, jaki zwykle serwuję uczestnikom na zajęciach, gdzie wykłady z
teorii przeplatane są z praktyką, czyli tzw. „warsztatami”, na których pod okiem instruktora
każdy może uczyć się, pisać czy testować własne programy. Pozwoliło mi to na płynne
przechodzenie z tematu na temat tak, aby w jak najprostszy sposób wprowadzić czytelnika do
świata mikrokontrolerów AVR oraz ich programowania. Może więc nie w osobnych działach,
ale w pewnej logicznej kolejności będę starał się podawać informacje tak, aby jak najszybciej
można było je przyswajać. W sposób, który sprawdził się w praktyce. Potraktuj tę książkę jak
dobrego przewodnika w trakcie przeprawy przez dżunglę, jaką mogą się wydawać zakresy
szczegółowej wiedzy z wielu dziedzin elektroniki cyfrowej i programowania.
10. Strona | 58
4 Podstawy języka C
Wreszcie dotarliśmy do miejsca, gdzie będzie można poznać więcej informacji na temat samego
4.1 Zagadnienia ogólne
języka C. Podobnie jak w przypadku omawiania podstawowych zagadnień dotyczących całej
rodziny mikrokontrolerów, teraz będę musiał omówić składnię języka.
W języku C stosujemy tzw. „wolny format” jeśli chodzi o pisanie kodu. Nie obowiązują tu
reguły jak w innych językach, gdzie trzeba się ograniczać do pisania rozkazów w jednej linii.
Nie ma tu żadnych przymusów. Wszystko, co chcemy zapisać, może się znaleźć w każdym
miejscu linii, a nawet można to samo rozpisać na kilka linijek. Związane jest to z tym, że
koniec instrukcji, jaką wydajemy, jest określony przez średnik, który stawiamy na końcu,
a nie przez to, że kończy się linia programu.
Wewnątrz instrukcji może znajdować się dowolna ilość tzw. białych znaków, do których
zaliczamy spacje czy tabulatory. Są one ignorowane przez kompilator. Z tego względu nie
ma różnicy w tym, jak zapiszemy poniższą linię - możemy to zrobić tak:
int main(void) {return 0;}
lub tak:
int main(void)
{
// od tego miejsca zaczyna się start programu.
/*
komentarze
*/
return 0 ; // koniec programu
}
4.1.1 Komentarze
Białe znaki są ignorowane przez kompilator, służą one jedynie programiście. Słyszałeś
zapewne przy okazji pisania kodów programu o tzw. „wcięciach”. Dobrze napisany kod
jest wtedy, gdy ma stosowane wcięcia. Bez nich kod staje się mało czytelny i bardzo ciężko
wrócić do jego analizy po dłuższym czasie.
Zauważyłeś powyżej w jednym z przykładów dwie charakterystyczne linie, w których widać
tzw. komentarze. To opisy, które można wstawić do kodu w celu zwiększenia czytelności
programowanych zagadnień. Jeśli w dowolnym miejscu linii kompilator napotka dwa znaki
// następujące po sobie, to ignoruje wszystkie kolejne aż do końca tej linii. Inna forma do
oznaczania całego bloku linii, w których chcemy umieścić opisy, może być zawarta pomiędzy
dwoma znacznikami, gdzie jeden rozpoczyna blok /* natomiast drugi */ kończy taki blok.
Zapamiętaj, że komentarze w języku C są bardzo istotnym elementem. Program napisany
bez żadnych komentarzy czy krótkich chociaż objaśnień, nie jest napisany w dobrym stylu
programistycznym.
Stosuj komentarze zawsze, gdy przygotowujesz skomplikowane procedury, funkcje czy
obliczenia tak, aby stanowiło to ułatwienie dla ciebie, gdy po dłuższym czasie wrócisz do
analizy kodu. Komentarze także są istotne dla innych osób, które będą miały możliwość
zapoznania się z kodem źródłowym twojego programu.
11. Strona | 59
4.1.2 Definicja a DeKlaracja
Zapamiętaj różnice pomiędzy deklaracją a definicją, żebyśmy później dobrze się rozumieli.
Brak zrozumienia tego zagadnienia na samym początku prowadzi do wielu nieporozumień,
bywa także powodem rzekomych trudności w nauce języka C.
1. Deklaracja – określa pewne własności identyfikatora (zmiennej czy funkcji), jednak nie rezerwuje
pamięci.
2. Definicja – zajmuje pamięć dla nowego obiektu i jednocześnie go deklaruje.
Wynika z powyższego, że definicja jest równocześnie deklaracją, ale nigdy na odwrót.
Przykłady Deklaracji:
extern int a1;
extern uint8_t tab[];
int max(int a, int b);
1. Informuje kompilator, że identyfikator a1 oznacza zmienną typu int. Jednocześnie słówko extern
oznacza, że zmienna ta jest tworzona poza aktualnym plikiem źródłowym.
2. Informuje kompilator, że identyfikator tab jest tablicą elementów jedno-bajtowych bez znaku.
3. Informuje kompilator, że identyfikator max jest funkcją zwracającą wartość typu int, oraz
przyjmującą dwa argumenty typu int.
Przykłady Definicji:
int b1;
int c2 = 5;
uint16_t tab[20];
int max(int a, int b)
{
return (a>b) ? a : b;
}
1. Tworzy zmienną b1, zajmuje dla niej pamięć (w języku AVR GCC) będą to dwa bajty, oraz
informuje kompilator, że identyfikator b1 oznacza zmienną typu int.
2. Tworzy zmienną c2, zajmuje dla niej pamięć, zostaje ona zainicjalizowana wartością 5, oraz
informuje kompilator, że c2 oznacza zmienną typu int.
3. Tworzy tablicę tab, zajmuje dla niej pamięć 40 bajtów oraz informuje kompilator, że identyfikator
tab jest tablicą dwubajtowych elementów bez znaku.
4. Tworzy funkcję max, zajmuje dla niej pamięć lecz tym razem w obszarze pamięci programu
FLASH, umieszcza w niej program funkcji, oraz informuje kompilator, że funkcja max jest funkcją
zwracającą wartość typu int a także o tym, że przyjmuje ona dwa argumenty także o typie int.
Nazwy zmiennych i funkcji można tworzyć dowolnie, ale z pewnymi ograniczeniami: nie
mogą one być nazwami słów kluczowych używanych przez kompilator oraz nie mogą zaczynać
się od cyfry. Nazwy mogą być pisane zarówno wielkimi jak i małymi literami, jednak trzeba
o tym pamiętać, ponieważ jeśli zdefiniujemy zmienną o nazwie Rozmiar (zaczyna się
dużą literą), to później w kodzie kompilator nie rozpozna tej nazwy, jeśli napiszesz ją tak:
rozmiar.
12. Strona | 60
4.1.3 Wyrażenia logiczne (Warunki)
W języku C występuje wiele instrukcji sterujących programem (poznasz je w kolejnym
rozdziale), które podejmują decyzje o wykonaniu lub niewykonaniu pewnych zadań w
zależności od spełnienia lub niespełnienia jakiegoś warunku. Dokładniej mówiąc w zależności
od tego, czy jakieś wyrażenie jest prawdziwe, czy fałszywe. Najpierw jednak musisz się
dowiedzieć, co to jest prawda i fałsz w języku C. Poniżej kilka przykładów wyrażeń logicznych:
1. ( x < 50 )
2. ( x == a )
3. ( x != a )
Nie znając wartości zmiennych x lub a nie jesteśmy w stanie ocenić czy te wyrażenia są prawdziwe
czy fałszywe. Jeżeli jednak powiem, tobie teraz, że x=7 natomiast a=10, to jesteś w stanie szybko stwierdzić, że:
1. Wyrażenie jest prawdziwe ponieważ 7 jest mniejsze od 50
2. Wyrażenie jest fałszywe ponieważ 7 nie równa się 10
3. Wyrażenie jest prawdziwe ponieważ 7 jest różne od 10
Zaraz, zaraz ale skąd będzie o tym wiedział mikrokontroler. Okazuje się, że to nie będzie dla
niego żadnym problemem. Jeśli mikrokontroler napotka np. taki warunek ( x < 50 ), to najpierw
podobnie jak my dokona obliczenia i na tej podstawie sprawdzi, czy jest on prawdziwy, czy
fałszywy. Zmienna x przecież musiała być gdzieś wcześniej zdefiniowana w programie, stąd
będzie znana jej wartość w momencie, gdy dojdzie do sprawdzania warunku.
ZAPAMIĘTAJ!
Wartość zero – jest zawsze rozumiana, jako stan: fałsz
Wartość inna niż zero – jest zawsze rozumiana, jako stan: prawda
Dzięki temu w wyniku operacji a=(5<10) kompilator przydzieli zmiennej a wartość jeden,
natomiast w wyniku operacji a=(25<10) zmienna a przyjmie wartość zero.
Dzięki powyższemu, zamiast w instrukcji sterującej wpisywać warunek sprawdzający czy
np. wartość x jest większa od zera w tradycyjny sposób: (x>0), można zapisać to samo
w prostszy (x). Ponieważ zgodnie z powyższymi definicjami prawdy i fałszu w języku C,
warunek (x) będzie spełniony (prawdziwy) tylko wtedy, gdy x będzie większe od zera.
4.2 Najważniejsze instrukcje
Przy założeniu oczywiście, że korzystamy z typu liczby całkowitej bez znaku. W związku
z tym warunek zapisany z kolei w ten sposób (1) będzie zawsze prawdziwy (spełniony).
Zaczniemy od kluczowych instrukcji, bez których nie można byłoby napisać żadnego programu.
4.2.1 instrukcja WarunkoWa if , else
W języku C instrukcja if (co oznacza po polsku „jeśli”) może występować w dwóch
postaciach:
if(warunek) instrukcja
if(warunek) instrukcja1 else instrukcja2
Są to podstawowe instrukcje języka C. Pierwsza postać oznacza, że jeśli będzie spełniony
13. Strona | 61
warunek, który może być dowolnym wyrażeniem, tylko wtedy zostanie wykonana instrukcja
występująca w dalszej części.
Druga postać stosowana jest do tzw. „rozgałęzień” programu. Oznacza, że jeśli będzie spełniony
warunek to zostanie wykonana instrukcja1, a jeśli warunek nie będzie spełniony,
to zostanie wykonana instrukcja2.
Symbolicznie oznaczona instrukcja może stanowić zarówno jedną instrukcję programu, co
można zapisać w kodzie tak:
if(x<50) wysokosc=0;
else wysokosc=1;
ale może także oznaczać kilka instrukcji, tyle że wtedy musimy je zebrać pomiędzy nawiasami
klamrowymi {}
if(x<50)
{
wysokosc=0;
y=0;
}
else
{
wysokosc=100;
y=20;
z=33;
}
W pierwszej prostszej postaci w zależności od warunku (x<50) była przydzielana różna
wartość do zmiennej o nazwie wysokosc.
W drugiej postaci w zależności od spełnionego warunku lub nie, ustawilśmy pewne
wartości kilku różnym zmiennym, dlatego zastosowaliśmy nawiasy klamrowe ograniczające
odpowiednio pierwszą i drugą (po else) sekcję warunku.
Należy wspomnieć także, iż instrukcje if mogą być zagnieżdżone. Spójrzmy na kod poniżej.
Widać na nim dwie instrukcje warunkowe zagnieżdżone, a dokładniej mówiąc, zagnieżdżona
jest instrukcja if(warunek_2). Została ona tutaj specjalnie wyróżniona szarym kolorem ramki.
Kolejnym wyróżnikiem, jaki występuje w kodzie programu, są „wcięcia” tabulatorów. Widzimy,
że cały zagnieżdżony warunek jest przesunięty w prawo. Bez takich wcięć analiza kodu
programu byłaby prawie niemożliwa, a przynajmniej bardzo, ale to bardzo utrudniona.
if(warunek_1)
{
if(warunek_2) { //instrukcje }
}
else
{
// instrukcje
}
Wiemy jednak, że nawiasy klamrowe nie zawsze muszą występować, może dojść w takich
sytuacjach do sporych problemów szczególnie, jeśli nie zastosujemy w odpowiedni sposób
wcięć w programie.
14. Strona | 62
if(warunek_1)
if(warunek_2) instrukcja1;
else
{
instrukcja2;
}
Jak przeanalizować taki kod? Do którego warunku odnosi się instrukcja else? Dla kompilatora
jest to jasne jak słońce, ponieważ występuje zasada, że jeśli brak nawiasów klamrowych
przed instrukcją else, to odnosi się ona zawsze do najbliższej poprzedzającej ją instrukcji
if. Zobaczmy jednak, jak należy to zapisać tak, abyśmy także my mogli to spokojnie i bez
błędów analizować. Znowu ważne są wcięcia.
if(warunek_1)
if(warunek_2) instrukcja1;
else
{
instrukcja2;
}
Myślę, że teraz także dla ciebie na początku drogi w C będzie to bardzo przejrzysty zapis.
Nie martw się, jeśli do tej pory miałeś problemy ze zrozumieniem różnego rodzajów kodów
programów napisanych w C przez inne osoby. Nie znałeś jeszcze zasad, jakie rządzą składnią,
a na dodatek mogłeś natknąć się na programy pisane bez wcięć przez niedoświadczone osoby
lub takie, które już coś potrafią, ale uważają, że wcięcia nie są im potrzebne. Jednak takie
podejście, uwierz mi, zawsze prędzej czy później skończy się źle.
Bywają pewne formy, gdzie musi nastąpić wybór wielowariantowy za pomocą wielu instrukcji
if … else. W takich sytuacjach można pominąć tabulatory (wcięcia), o ile będzie to np. taki
prosty blok:
if(warunek_1) instrukcja1;
else if(warunek_2) instrukcja2;
else if(warunek_3) instrukcja3;
else if(warunek_4) instrukcja4;
kolejne_instrukcje;
Taki blok analizujemy następująco: jeśli spełniony jest warunek_1, wykonaj instrukcję1,
zakończ działanie bloku i przejdź do kolejnych instrukcji programu.
Jeśli jednak warunek_1 nie jest spełniony, to sprawdź warunek_2, jeśli jest spełniony, to
zakończ działanie bloku i przejdź do kolejnych instrukcji programu.
Jeśli warunek_2 nie jest spełniony, to sprawdź warunek_3 i tak dalej.
Tego typu bloki konstrukcji wielopoziomowego wyboru od razu mogą skojarzyć się
z pomysłem zastosowania tego mechanizmu do oprogramowania wielopoziomowego MENU
dla użytkownika. Rzeczywiście, przy prostej budowie menu można z tego korzystać. Jednak
niedługo poznamy specjalną instrukcję, która jeszcze wygodniej pozwala nam organizować
wielopoziomowe wybory w kodzie programu.
15. Strona | 63
Dodam jeszcze, że instrukcje warunkowe if mogą sprawdzać warunki złożone, tzn. składające
się z wielu warunków bądź obliczeń. Przyjrzymy się temu bliżej ,gdy będziemy omawiać
operatory. Wtedy lepiej zrozumiesz zapis typu:
if ( (x>50 && x<100) || (x==5) ) instrukcja1;
Na razie powiem tylko, że instrukcja1 zostanie tylko wtedy wykonana, jeśli zmienna x
zawiera się w przedziale od 51 do 99 lub jest równa 5. Znaki && oraz || to właśnie operatory.
4.2.2 Pętla While
Konstrukcja while (po polsku „dopóki”) służy do realizacji jednej z podstawowych pętli
programowych. Występuje ona w formie:
while(warunek) instrukcja(-e);
Oznacza to, że dopóki warunek będzie spełniony (prawda), dopóty będzie wykonywana
instrukcja. Zgodnie ze składnią języka, o której pisaliśmy wyżej, pojedynczą instrukcję
można zastąpić dowolnym blokiem wielu instrukcji tyle, że trzeba je umieścić wewnątrz
nawiasów klamrowych {}. Można więc w ramach jednej pętli zapisać wiele instrukcji
w ten sposób:
x=0;
while(x<10)
{
// instrukcja1
// instrukcja2
// instrukcja3
// ………….
// instrukcjaN
x=x+1;
}
// kolejne instrukcje programu
Zawartość pętli będzie wykonana dziesięciokrotnie. Zauważ, że przed rozpoczęciem pętli
przypisaliśmy zmiennej x wartość zero. Zatem warunek (x<10) jest spełniony i zostaną
wykonane kolejno instrukcje wewnątrz nawiasów klamrowych. Ostatnia instrukcja spowoduje
zwiększenie wartości x o jeden, po czym znowu nastąpi sprawdzenie warunku. Jako że x
równy będzie 1, to i tym razem warunek zostanie spełniony. Blok instrukcji będzie dotąd
wykonywany, dopóki zmienna x w wyniku zwiększania zawartości o jeden nie osiągnie w
końcu wartości równej dziesięć. W takiej sytuacji warunek (x<10) nie będzie już prawdziwy/
spełniony i pętla nie wykona instrukcji zawartych w nawiasach klamrowych. Rozpocznie
się wykonywanie kolejnych instrukcji programu.
Bardzo często stosuje się w programach tzw. pętlę nieskończoną. Chodzi o to, aby wykonywać
pewien blok instrukcji bez końca. Można wtedy posłużyć się konstrukcją:
while(1)
{
// instrukcje
}
16. Strona | 64
Zgodnie z tym co mówiliśmy o prawdzie i fałszu w języku C, wartość większa od zera będzie
zawsze oznaczać prawdę. Zatem warunek (1) będzie zawsze spełniony, ponieważ liczba 1
jest większa od zera i symbolizuje w tym warunku „prawdę”.
Zauważ, proszę, istotę działania tej pętli. Otóż, zawsze przed jej pierwszym wykonaniem
sprawdzany jest warunek. Gdyby nie był on spełniony (prawdziwy), to nigdy nie doszłoby
do wykonania instrukcji w jej wnętrzu.
4.2.3 Pętla do..While
Konstrukcja do … while … oznacza z angielskiego Rób … Dopóki … i pozwala na realizację
innego rodzaju pętli programowej. Jej forma to:
do instrukcja1 while(warunek);
Po analizie oznacza to, rób (wykonuj) instrukcję1, dopóki będzie spełniony warunek.
Jak zwykle też pojedynczą instrukcję możemy zastąpić blokiem wielu instrukcji umieszczonych
wewnątrz nawiasów klamrowych.
do
{
Instrukcja1;
Instrukcja2;
Instrukcja3;
} while(warunek);
Zauważ, że w odróżnieniu od omawianej wyżej zwykłej pętli while, tutaj mamy do czynienia
z sytuacją, w której najpierw wykonywana jest instrukcja1 lub blok instrukcji, a dopiero na końcu
sprawdzany warunek. Zatem w pierwszym przebiegu tej pętli zostaną zawsze wykonane instrukcje w
jej wnętrzu.
4.2.4 Pętla for
Ten typ pętli programowej wykonywany jest zdecydowanie najczęściej w różnych programach.
Posiada ona postać:
for( init ; wyrażenie_warunkowe ; krok) treść_pętli;
init oznacza instrukcję bądź grupę instrukcji, które służą do inicjalizacji pracy pętli.
W praktyce najczęściej będziesz stosował tu pojedynczą instrukcję.
wyrażenie_warunkowe tak jak to zwykle bywało w instrukcjach warunkowych, będzie
obliczane przed każdym wykonaniem pojedynczego obiegu pętli. Jeśli wyrażenie/warunek
będzie spełniony, to przebieg pętli zostanie wykonany, jeśli przestanie być prawdziwy, to
przebieg nie zostanie wykonany. krok to instrukcja wpływająca na licznik wykonywania
pętli. Jest ona realizowana za każdym razem na zakończenie pojedynczego obiegu pętli tuż
przed ponownym sprawdzeniem wyrażenia warunkowego na początku pętli.
W praktyce będzie to wyglądało tak:
for(i=0;i<10;i=i+1)
{
instrukcja1;
}
17. Strona | 65
W powyższym przykładzie sekcję init stanowi instrukcja i=0. Inicjalizujemy w ten sposób
zmienną i, która będzie odpowiedzialna za iterację (wielokrotnie powtarzalną czynność).
Sekcja wyrażenie_warunkowe to w naszym przypadku warunek i<10. Zatem pętla
będzie się wykonywała do momentu, dokąd warunek będzie prawdziwy. Jako że zmienna
i została zainicjalizowana wartością zero, można powiedzieć, że pierwszy przebieg pętli
zostanie na pewno wykonany, gdyż warunek taki będzie prawdziwy.
Dzięki sekcji krok, która u nas ma postać i=i+1 wiemy, że za każdym przebiegiem pętli,
pod koniec wykonywania każdego jej obiegu zmienna i będzie zwiększana o jeden. Co za
tym idzie, można śmiało wywnioskować, że pętla taka wykona się 10 razy.
Ile razy wykonana zostałaby pętla for zapisana w poniższy sposób?
for(i=0;i<10;i=i+2) instrukcja1;
Tylko pięć razy, ponieważ wartość zmiennej i w sekcji krok, jest zmieniana w większym
tempie. Tym razem i=i+2. Zatem wyrażenie_warunek będzie spełnione tylko wtedy,
gdy wartości zmiennej i będą wynosiły kolejno: 0, 2, 4, 6, 8.
Mam nadzieję, że ten krótki opis dał tobie dużo do myślenia i jeśli przypadkiem znasz pętle
for z innych języków programowania, to śmiało stwierdzisz, że składnia tej pętli w języku
C jest zdecydowanie najlepsza. Daje ogrom możliwości i nie wprowadza wielu ograniczeń.
Dodatkową ciekawostką jest to, że w języku C można śmiało pomijać niektóre bądź wszystkie
części składowe pętli, pozostawiając jedynie znaki średników, które je oddzielają. Zatem
poniższy zapis:
for(;;)
{
// instrukcje;
}
Często spotkasz, jako pętlę nieskończoną. Opuszczenie sekcji wyrażenie_warunek
jest zawsze równoznaczne w tym przypadku z tym, jakby warunek był zawsze spełniony.
Można także skorzystać z zapisu:
for(i=5;x>20;) instrukcja;
W takim przypadku mamy do czynienia z inicjalizacją zmiennej i w pętli, następnie
zostaje sprawdzany warunek (x>20), który wcale nie musi być związany ze zmienną
typu iteracyjnego, czyli i. Natomiast pominęliśmy w ogóle sekcję krok. Oznacza to, że
pętla będzie pracować w zależności od tego, co wewnątrz niej będzie się działo z wartością
zmiennej x.
Jak wspominałem wcześniej, sekcja inicjalizacji bądź sekcja krok mogą składać się
z kilku instrukcji oddzielonych od siebie przecinkiem. Nie nadużywaj jednak takich konstrukcji
ze względu na możliwość znacznego zmniejszenia czytelności kodu programu. Przykład:
for(i=0,k=10;i<10;i=i_1,k=k-1)
{
// instrukcje pętli
}
18. Strona | 66
W tym przypadku dostrzeżesz, iż zmienna i służy do iteracji, natomiast niejako dodatkowo
można wykorzystać sekcje pętli do cyklicznych działań z innymi zmiennymi, które mogą być
przydatne wewnątrz pętli. Każda pętla może także zostać przerwana w dowolnym momencie
za pomocą specjalnej instrukcji, o której powiem za chwilę.
4.2.5 instrukcja break
Instrukcja break z angielskiego oznacza w tym przypadku „przerwać”. Może zostać ona
użyta wewnątrz dowolnej pętli programowej lub wewnątrz instrukcji switch. Powoduje ona
natychmiastowe i bezwarunkowe przerwanie działania pętli bądź instrukcji switch oraz jej
opuszczenie. W związku z czym program rozpoczyna wykonywanie kolejnych instrukcji
programu, jakie znajdują się po wystąpieniu pętli lub instrukcji switch.
Oznacza to, że można przerwać działanie każdej formy tzw. pętli nieskończonej. Wystarczy
w jej wnętrzu wstawić polecenie break. Oczywiście takie polecenie najczęściej w tego typu
przypadkach zostaje użyte w zależności od zaistnienia pewnej sytuacji, czyli jednym słowem
w zależności od spełnienia jakiegoś warunku/wyrażenia, np.
while(1)
{
// instrukcje
if(warunek) break;
// instrukcje
}
Poznaliśmy już wcześniej taką konstrukcję pętli nieskończonej z użyciem pętli while, jednak
równie dobrze moglibyśmy zastosować konstrukcję for(;;) zamiast while(1). Tak
czy inaczej wewnątrz za każdym obiegiem sprawdzany jest jakiś warunek, i jeśli zostanie
on spełniony, wykonywanie obiegu pętli zostanie natychmiast przerwane. Nie wykona się
w jej wnętrzu już żadna następna instrukcja.
4.2.6 instrukcja sWitch
Switch z angielskiego oznacza „przełącznik”. Tak też zachowuje się ta instrukcja. Służy ona
do podejmowania wielowariantowych decyzji. To właśnie za jej pomocą można zastąpić blok
wielowariantowego wyboru, o jakim mówiłem w rozdziale poświęconym instrukcjom if…
else. Oto jak wygląda postać takiej instrukcji. Jest to pewna konstrukcja, spójrz poniżej:
switch(wyrażenie)
{
case wartosc1:
instrukcje;
[break;]
case wartosc2:
instrukcje;
[break;]
case wartosc3:
instrukcje;
[break;]
default:
instrukcje;
}
19. Strona | 67
Wygląda to może troszkę skomplikowanie na pierwszy rzut oka, ale to tylko złudzenie,
zapewniam cię. Już wyjaśniam, co to wszystko po kolei oznacza. To potężne narzędzie
w języku C.
Instrukcja rozpoczyna się od sprawdzenia naszego przełącznika, którym jest wyrażenie.
Oznacza to, że w nawiasach okrągłych może wystąpić sama zmienna np. x, ale równie dobrze
może wystąpić wyrażenie matematyczne, którego wynik będzie przełącznikiem. Następnie
wewnątrz nawiasów klamrowych mamy sekcje o nazwie case lub default, dzięki którym
możemy zdecydować, jakie instrukcje chcemy wykonać w zależności od konkretnych wartości
naszego wyrażenia/przełącznika. Po słówku case zawsze podajemy wartość przełącznika, jaka
nas interesuje, co oznacza, że jeśli przełącznik będzie miał w momencie wejścia w instrukcję
switch taką wartość, to instrukcje występujące w kolejnych liniach po słówku case zostaną
wykonane, jeśli inną wartość, to pominięte i zostanie rozpatrzona kolejna pozycja case.
Po każdym pakiecie instrukcji następujących po sprawdzeniu określonej wartości przełącznika
case, może wystąpić instrukcja break. Tylko dlatego ująłem ją w powyższym schematycznym
w przykładzie w nawiasy kwadratowe, aby zakomunikować, że instrukcja break może w
tym miejscu występować, ale nie musi. Nie jest to obligatoryjne. Jednak, jeśli jej nie ma, to
zostaną wykonane kolejne instrukcje zawarte instrukcji następnych sekcji case, switch. Może to
spowodować, że całość nie zareaguje tylko na jeden przełącznik, a na kilka. Zatem jeśli zależy
nam na wykonaniu instrukcji dotyczących tylko jednego przełącznika, to najczęściej będziemy
blok rozpoczynający się od słówka case kończyli rozkazem break, który przerwie dalsze
wykonywanie instrukcji zawartych w switch, ponieważ uznajemy, iż inne są niepotrzebne
w tym momencie. W praktyce może to wyglądać tak:
x=2;
switch(x)
{
case 0:
czas=10;
break;
case 1:
czas=23;
break;
case 2:
czas=38;
break;
case 3:
czas=42;
break;
default:
czas=0;
}
Króciutko przeanalizujemy, co stanie się w wyniku działania powyższego kodu programu.
Na początku bądź „ręcznie”, bądź w wyniku wykonania jakiejś funkcji, zmienna x przyjmuje
wartość równą dwa. Rozpoczyna się teraz instrukcja switch sprawdzająca wartość zmiennej
x, pełniącej dla nas rolę przełącznika, od którego chcemy spowodować, aby z kolei zmienna
czas przyjęła pewną konkretną wartość. Zakładamy także, że jeśli zmienna x nie osiągnie
20. Strona | 68
żadnej z założonych wartości, to zmienna czas domyślnie zostanie wyzerowana. Po wejściu
w instrukcję switch za pomocą pierwszego słówka case, sprawdzamy, czy nasz przełącznik,
jakim jest wartość zmiennej x, nie posiada wartości zero. Jeśli nie, to zignorowane zostaną
kolejne linijki programu aż do napotkania kolejnego momentu, w którym pojawi się słówko
case. Oznaczać to będzie, że po raz kolejny sprawdzamy, czy nasz przełącznik nie posiada
wartości równej jeden. Jeśli nie, to program przeskakuje do kolejnego słówka case, które
tym razem sprawdza, czy x równa się dwa? Zgadza się, jak widać przed instrukcją switch,
zmienna x jest równa dwa.
W takim razie, rozpoczną się wykonywać kolejne instrukcje, które znajdują się po tym
właśnie sprawdzeniu słówkiem case. W naszym przypadku jest to tylko jedna instrukcja,
ale można równie dobrze w kolejnych liniach napisać ich więcej. Tutaj można, ale nie trzeba,
koniecznie stosować do bloku instrukcji, nawiasów klamrowych. Zauważ jednak, że na
zakończenie tych instrukcji zostaje wykonana instrukcja break. Powoduje ona zakończenie
działania całości. O to nam chodziło. Aby w zależności od konkretnej wartości zmiennej x
odpowiednio ustawić zmienną czas.
Dodajmy na koniec, że gdyby wartość zmiennej x była różna od 0, 1, 2, 3 (bo takie wartości
zostają sprawdzane za pomocą słówek case), to zrealizowana zostałaby sekcja instrukcji na
końcu po słówku default. W naszym przypadku zmienna czas zostałaby wyzerowana.
Jeśli taka sekcja case lub default występuje na samym końcu, to zbędne jest już użycie
instrukcji break.
4.2.7 instrukcja continue
Instrukcja ta bywa przydatna wewnątrz każdej z omawianych pętli programowych. Może
czasem wystąpić sytuacja, gdy pętla zawiera długi blok instrukcji programu występujących
jedna po drugiej, że w zależności od jakiegoś czynnika chcemy pominąć wykonywanie
części bloku tychże instrukcji. Jej postać przedstawia się następująco:
for(;;)
{
instrukcja1;
instrukcja2;
instrukcja3;
if(warunek) continue;
instrukcja4;
instrukcja5;
}
Oczywiście rodzaj pętli może być dowolny, równie dobrze w tym przykładzie moglibyśmy
zastosować while() czy też do…while(). Jak to działa? Otóż zakładając, że jeśli warunek
nie jest spełniony, to dokładnie w każdym obiegu pętli wykonywane są wszystkie instrukcje
od 1 do 5. Jeśli jednak w konkretnym czy też w wielu przebiegach warunek zacznie być
spełniony/prawdziwy, to instrukcje od 4 do 5 są całkowicie pomijane. Można powiedzieć, że
instrukcja continue powoduje przejście na sam koniec pętli. Efekt będzie taki, jakby całość
została wykonana, następuje zakończenie obiegu, po czym zostaje sterowanie przekazane
znowu na początek pętli, gdzie sprawdzane są jej warunki pracy.
21. Strona | 69
4.2.8 nawiasy Klamrowe
Kilka praktycznych porad jak ich używać aby uniknąć pomyłek, o które szczególnie łatwo,
jeśli stosować będziemy wiele zagnieżdżonych instrukcji if, a w nich jeszcze rozbudowanych
pętli, które na dodatek także mogą zawierać kolejne instrukcje if. Poniżej przedstawię
często spotykane trzy sposoby używania nawiasów klamrowych w programach.
while(1) {
instrukcje; I sposób
}
while(1)
{
instrukcje; II sposób
}
while(1)
{
Instrukcje; III sposób
}
Każdy sposób jest generalnie prawidłowy, gdyż zawiera odpowiednie wcięcia. Jednak warto
zdecydować się na jeden z nich taki, który tobie będzie sprawiał najmniej problemów. Dla
mnie najlepszym sposobem, jakiego najczęściej korzystam, gdy piszę własne kody, jest ten
trzeci. Powiem więcej, żeby uniknąć pomyłek związanych z pisaniem długiego kodu programu
i zagnieżdżonych instrukcji, po których stosuję klamry, zawsze podchodzę do tego właśnie
tak. Po napisaniu instrukcji warunkowej czy pętli wciskam klawisz ENTER, po czym równo
pod rozpoczynającą się instrukcją stawiam otwarty nawias klamrowy, ponownie klikam
klawisz ENTER (nawet dwukrotnie) i wstawiam zamknięty nawias klamrowy równiutko pod
tym otwartym powyżej. Dopiero wtedy przenoszę kursor pomiędzy oba nawiasy i zaczynam
wpisywać kod programu pomiędzy nimi. Dzięki temu rzadko mylę się, jeśli chodzi o stosowanie
tych nawiasów.
Dodam, że niektóre zaawansowane środowiska jak np. ECLIPSE, opisane przeze mnie
wyżej czynności wykonują za mnie automatycznie! Oznacza to, że gdy po napisaniu
instrukcji warunkowej lub pętli wcisnę raz klawisz ENTER, to automatycznie pod spodem
umieszczone zostają od razu dwa nawiasy klamrowe a kursor umiejscawia się wraz
z poprzedzającym go tabulatorem/wcięciem w linii pomiędzy nimi, dzięki czemu bez
uciążliwych wyżej opisanych czynności przystępuję do pisania kodu. Inne środowiska i edytory
oferują jeszcze inne narzędzia/gadżety wspomagającą pracę programisty w tym zakresie.
Dlatego pisanie programu w zwykłym lub lekko zaawansowanym programie typu notatnik,
który oferuje tylko kolorowanie składni, bywa w dzisiejszych czasach bardzo uciążliwe.
4.2.9 instrukcja goto
Pozostawiłem tę instrukcję na koniec. Najchętniej w ogóle bym jej nie omawiał, ponieważ jej
istnienie powoduje, że początkujący często nabierają złych nawyków programowania, gdy się
przyzwyczają zbytnio do tej instrukcji. Niemniej jednak jest kilka drobnych sytuacji, gdzie
może się ona przydać. Wtedy nie jest wstydem jej używanie. W pozostałych przypadkach
jej nadmierne stosowanie wręcz świadczy tylko źle o programiście. Cóż to za „wstydliwa”
instrukcja? Jej składnia to:
22. Strona | 70
goto etykieta
…..
…..
…..
etykieta: instrukcje;
Etykieta to dowolna aczkolwiek niezarezerwowana nazwa, po której musi wystąpić znak
dwukropka. Działanie jest banalnie proste, sprowadza się do tego, że jeśli program napotka
tę instrukcję, to wykonuje skok do miejsca, które wskazywane jest przez etykietę. Ważne, że
etykieta musi znajdować się w odpowiednim zakresie widoczności. O zakresach widoczności,
więcej powiem w następnych rozdziałach. Wspominałem jednak, że bywają sytuacje, gdzie
możemy prawie bez żadnego wstydu z niej skorzystać. Co wcale nie oznacza, że bez niej
sytuacja jest bez wyjścia. Wszystko zależy od inwencji twórczej programisty jak zwykle.
Zatem wyobraź sobie, na razie czysto teoretycznie, że masz wielokrotnie zagnieżdżone pętle
wraz z zagnieżdżonymi warunkami if() lub funkcjami switch() wewnątrz nich. Przychodzi
jednak taki moment, że bezwarunkowo musisz opuścić te wszystkie pętle bez konieczności
wielokrotnego używania rozkazu break, który już znasz. Wtedy można sięgnąć po instrukcję
goto, za pomocą której jednym prostym sposobem, przenosisz sterowanie programu całkowicie
na koniec takiego długiego zagnieżdżonego bloku instrukcji. Jednak zawsze tylko w ramach
4.3 Typy
widoczności. Napomknę tylko, że np. nie można wykonać skoku goto pomiędzy różnymi
funkcjami. To właśnie stanowi ograniczenie zakresu jej widoczności.
Przechodzimy do omówienia jednego z najbardziej istotnych zagadnień języka C, którego
zrozumienie posiada fundamentalne znaczenie dla dalszej nauki. Traktując to zbyt pobieżnie
wyrządziłbym ci krzywdę. Postaraj się uważnie przeczytać i dobrze zrozumieć oraz zapamiętać
podane tutaj informacje. Bez nich „ani rusz” w dalszej naszej drodze.
Każda nazwa, jaka występuje w języku C (poza nazwami etykiet np. przy instrukcjach goto),
zanim zostanie użyta w programie, musi koniecznie zostać zdeklarowana. Tak naprawdę
wspominaliśmy już o deklaracjach i różnicach pomiędzy definicjami w rozdziale „Deklaracja
a Definicja”.
Przyjrzyjmy się temu nieco bliżej. Załóżmy, że kompilator napotka na swojej drodze zapis typu:
a = b + c;
Występuje tu operacja dodawania oraz podstawienie wyniku tej operacji do zmiennej a.
Kompilator musi, zatem uruchomić wewnętrzne procedury, które będą mogły dokonać
stosownych obliczeń. Jednak dla różnych działań matematycznych i nie tylko matematycznych,
mogą występować różne procedury. Poza tym nawet, jeśli w tym przypadku będzie to działanie
matematyczne (dodawanie), to kompilator musi wiedzieć, jakiego typu są te zmienne. Inaczej
będzie bowiem wykonywał dodawanie liczb całkowitych bez znaku, inaczej dodawanie liczb
całkowitych ze znakiem, inaczej dodawanie liczb zmiennoprzecinkowych lub mieszanych,
jeszcze inaczej liczb o różnych możliwych zakresach wielkości. Jeśli liczby a oraz b będą
się mieściły np. w zakresie od 0 do 255, to będzie oznaczać, że ich wartości można zapisać
tylko w jednym bajcie. Jednak już wynik takiej operacji, jak się domyślasz, może być większy
niż 255, więc będzie musiał zostać zapisany w zmiennej składającej się z dwóch bajtów.
Jednak skąd nasz „biedny” kompilator może wiedzieć na podstawie tylko zapisu w formie
pokazanej powyżej, jakich operacji ma użyć, skoro nie powiedzieliśmy mu wprost, na jakich
23. Strona | 71
typach danych/zmiennych ma operować i załączać już konkretne procedury matematyczne?
Musimy wcześniej zadeklarować, a jeśli obliczenia mają być wykonane podczas działania
programu w oparciu o pamięć RAM mikrokontrolera, to musimy zmienne zdefiniować.
Pamiętając, że definicja zmiennej jest równoważna z jej deklaracją. Dobrze spójrzmy, w jakiej
postaci można podać te wszystkie informacje kompilatorowi.
int a;
uint8_t b=188, c=220;
a = b+c;
Proszę bardzo, po dokonaniu takiego zapisu, kompilator nie „piśnie” już słówka
o błędach podczas przeprowadzania kompilacji tak napisanego kodu programu. Wyjaśnijmy
sobie, jakich operacji dokonujemy w kolejnych liniach. Umiejętność takiej analizy to podstawa.
Aby pisać program, który będzie zrozumiały dla kompilatora, musisz się nauczyć myśleć
jak kompilator, w pewnym zakresie przynajmniej. A zatem:
1. Następuje deklaracja zmiennej a, która mówi, że zmienna a będzie oznaczała liczbę całkowitą
ze znakiem w rozmiarze wynoszącym dwa bajty. Jednak, ponieważ jest to przede wszystkim
konkretna definicja, to zostaje zarezerwowane miejsce w pamięci RAM mikrokontrolera o
wielkości dwóch bajtów. To w tym miejscu kompilator będzie przetrzymywał podczas „życia”
całego programu zawartość zmiennej a. Definicja ta nie powoduje jednak ustawienia wstępnej
wartości tej zmiennej. Zatem może ona być przypadkowa albo może być automatycznie
inicjalizowana wartością zero. (Niedługo dowiesz się, kiedy przypadkowa, a kiedy automatyczna ).
2. Następuje na podobnej zasadzie jak wyżej definicja oraz deklaracja zmiennych o nazwie b
oraz c. Jednocześnie zostaje dla nich zarezerwowana pamięć. Po jednym bajcie na każdą, co
związane jest z typem uint8_t specyficznym dla kompilatora AVR GCC. Jednocześnie obydwie
zmienne zostają zainicjalizowane wartościami 188 oraz 200.
3. Ta linijka programu to już nie deklaracja ani nie definicja. To jest już konkretna instrukcja
programu. W wyniku jej działania kompilator podłączy procedury, które wykonają najpierw
dodawanie liczb całkowitych bez znaku o rozmiarze jednego bajta, a następnie procedurę, która
wynik tego dodawania umieści w zmiennej a. To nic, że zmienna a posiada inny typ. Ważne,
że typ int potrafi pomieścić liczbę większą od 255. Jak widzisz, to programista, czyli ty – musi
dbać o to, jakimi typami danych/zmiennych się posługuje!. Pamiętaj o tym na zawsze.
Reasumując, jeszcze raz przypomnę bardzo istotną różnicę pomiędzy deklaracją
a definicją za pomocą nieco innych słów. Musi to do ciebie dotrzeć w pełni.
Deklaracja – tylko informuje kompilator o tym, jakiego typu może być zmienna.
Definicja – nie tylko informuje kompilator, ale rezerwuje pamięć mikrokontrolera.
4.3.1 systematyka tyPóW języka c
W standardowej definicji języka C istnieją, tzw. podstawowe typy wbudowane. Nie będę tu
omawiał wszystkich dokładnie i w szczegółach, ponieważ nas będą bardziej interesowały,
specyficzne typy wbudowane w naszą wersję kompilatora AVR GCC.
• Typy do przechowywania i pracy z liczbami całkowitymi
short int
int
long int
24. Strona | 72
• Typy do przechowywania kodów znaków alfanumerycznych
char
W istocie typ char nie służy tylko do przechowywania kodów znaków alfanumerycznych,
może on przechowywać liczby całkowite podobnie jak unsigned short int. Jednak na początku
postaraj się kojarzyć go z kodami znaków alfanumerycznych. (To moja propozycja nie tylko
na potrzeby tej publikacji, ale także dla ułatwienia wejścia w świat C).
Wszystkie powyższe typy mogą występować w dwóch wariantach, liczby ze znakiem
i bez znaku. Co oznacza, że do poszczególnych typów można dodawać znaczniki: signed
oraz unsigned, np.:
signed int – liczba całkowita ze znakiem
unsigned int – liczba całkowita bez znaku
podobnie z typem alfanumerycznym:
signed char – liczba całkowita reprezentująca ze znakiem
unsigned char – liczba całkowita reprezentująca znak alfanumeryczny bez znaku
W przypadku typu char wyszło nam w opisie troszkę takie „masło maślane”, ale już
wyjaśniam, o co chodzi. Wszędzie, gdzie mówimy o znaku czyli signed oraz unsigned
mamy na myśli typy, które mogą przechowywać tylko liczby dodatnie i ujemne – te oznaczone
signed, natomiast te oznaczone unsigned mogą przechowywać tylko liczby dodatnie.
• Typy do przechowywania i pracy z liczbami zmiennoprzecinkowymi
float
double
Pozwalają one pracować na liczbach rzeczywistych o różnej precyzji. Z tym, że ze względu
na ograniczenia możliwości małych mikrokontrolerów, do jakich zalicza się rodzina AVR,
pozostał wprawdzie typ double, aby była zgodność ze standardem, jednakże jego precyzja
jest dokładnie taka sama jak typu float.
• Typy do przechowywania i pracy z wartościami logicznymi
bool
Zmienne tego typu mogą przechowywać tylko dwie wartości, prawdę lub fałsz. W praktyce
można takim zmiennym przypisywać wartości oznaczone, jako false lub true. Co z kolei
i tak na końcu sprowadza się do tego, że zmienna tego typu i tak będzie tak posiadała wartość
zero albo jeden. W związku z czym niezbyt często używa się tych typów. Tym bardziej, że
wiąże się to z koniecznością załączania do programu oddzielnej biblioteki zwanej stdbool.h.
25. Strona | 73
Nazwa Typ Zakres Bajty
char całkowity -128…127 1
unsigned char całkowity 0…255 1
short int całkowity -32768…32767 2
unsigned short int całkowity 0…65535 2
long int całkowity -2^31…2^31-1 4
unsigned long int całkowity 0…2^32-1 4
long long int całkowity -2^63…2^63-1 8
long long unsigned int całkowity 0…2^64-1 8
int całkowity = short int 2
unsigned int całkowity = unsigned short int 2
float rzeczywisty 6 znaków precyzji 4
double rzeczywisty 10 znaków precyzji 1 8
bool logiczny logiczny 2
Dla oznaczenia braku danych
void pusty 0
1 Język o którym mówimy, AVR GCC nie obsługuje formatu liczb zmiennoprzecinkowych podwójnej
precyzji. Jednak ze względu na zgodność ze standardem można deklarować zmienne typu double tyle, że
kompilator potraktuje je jakby były to zmienne typu float.
Poniżej charakterystyczne typy tylko dla AVR GCC:
Wielkość
Typ Zakres
bity bajty
uint8_t 8 1 0 to 255
int8_t 8 1 -128 to 127
uint16_t 16 2 0 to 65535
int16_t 16 2 -32768 do 32767
uint32_t 32 4 0 do 4294967295
int32_t 32 4 -2147483648 do 2147483647
uint64_t 64 8 0 do 1.8*1019
int64_t 64 8 -9.2*1018 do 9.2*1018
W standardowym języku C występują jeszcze inne typy, jednak na razie nie będziemy
o nich wspominać, gdyż nie wszystkie dotyczą naszych mikrokontrolerów. Przedstawię
raczej zestawienie typów wbudowanych, z jakimi będziemy mieli do czynienia korzystając
z naszej wersji kompilatora AVR GCC.
Bardzo istotną i pozytywną cechą języka C jest to, że mamy możliwość definiowana zmiennych
„w locie”. Cóż to oznacza? Najpierw odwołam się do innych języków, być może miałeś
możliwość poznania wcześniej niektórych. Okazuje się, bowiem, że najczęściej w innych
26. Strona | 74
językach, występuje konieczność definiowania zmiennych na początku bloku kodu programu
czy bloku funkcji itp. Na szczęście w języku C nie ma takich ograniczeń, co oznacza, że
możemy definiować zmienne w dowolnym miejscu kodu programu! Poniżej przykład:
uint8_t a=5,b=6;
uint16_t c;
c=a+b;
int z;
z=c+a+b;
Jak widać zmienną o nazwie „z” typu int zdefiniowaliśmy niejako „po drodze”. Przeciwnicy
języka C twierdzą, że to wprowadza bałagan w kodzie i trudności z jego analizowaniem.
Moim zdaniem mylą się. (Tak pół żartem, pół serio) Po prostu zazdroszczą, że nie mają takich
możliwości. Wybierając standard kompilacji na ten o nazwie „ISO C99 + GNU Extensions
(-std=gnu99)”, otrzymujemy także bardzo ciekawą możliwość definiowania np. zmiennej
iteracyjnej w pętli for podczas jej inicjalizacji. Przykład:
for(uint8_t i=0;i<10;I=I+1) instrukcja;
Jak widzisz definicja zmiennej i mieści się w znanej ci już sekcji inicjalizacyjnej pętli typu for.
4.3.1.1 Typy złożone
Typy złożone to w uproszczeniu takie typy, których nazwa składa się z nazwy jednego
z typów podstawowych, o jakich mowa była wyżej oraz jednego z czterech operatorów.
O samych operatorach będziemy mówić później, jednak poniżej przedstawię listę tych,
dzięki którym można tworzyć typy złożone.
[] - pozwala utworzyć tablicę obiektów danego typu
* - (gwiazdka) pozwala utworzyć wskaźnik
() - pozwala utworzyć funkcję zwracającą wartość danego typu
Wyobraź sobie, że potrzebujesz zdefiniować 50 zmiennych jednobajtowych typu uint8_t,
które zostaną zainicjalizowane określonymi wartościami początkowymi. Musiałbyś napisać
albo 50 linii kodu, albo co najmniej kilkanaście, gdzie w każdej zdefiniować po kilka takich
zmiennych. W przypadku pomyłki szybka zmiana kodu byłaby męczarnią. Czy nie lepiej
byłoby, gdybyś miał możliwość ułożenia jeden po drugim w formie tablic takich elementów
typu uint8_t? Na pewno tak! Ale równie dobrze można zdeklarować tablicę elementów
dowolnego typu. Trzeba tylko zgodnie z tym, co pisałem wyżej, do nazwy typu prostego
dodać dwa nawiasy kwadratowe, a pomiędzy nimi określić ilość elementów, aby kompilator
wiedział, ile pamięci musi zarezerwować. W przypadku 50 elementów typu uint8_t będzie
to 50 bajtów, a jak się domyślasz, w przypadku 50 elementów uint16_t bądź int będzie to
100 bajtów. Zapiszemy to tak:
uint8_t tablica1[50];
int tablica2[50];
27. Strona | 75
Poprzez dodanie nawiasów kwadratowych utworzyliśmy typ złożony, jakim są tablice,
przechowujące wiele elementów jednego typu. W przypadku powyższych definicji musiałeś
podać koniecznie liczbę elementów, jednak gdy chcemy (a mamy taką możliwość) od razu
zainicjalizować je konkretnymi wartościami, to możemy, aczkolwiek nie musimy, podawać
w nawiasach kwadratowych ilości elementów. Kompilator obliczy sobie tę ilość na podstawie
podanych wartości, jakimi będziesz potrzebował zainicjalizować takie tablice. Poniżej
przykłady:
uint8_t tab1[] = {1,2,3,4,5};
int tab2[] = {433,1200,20,0,30,288};
Widać z powyższego, że zmienna tablicowa o nazwie tab1 będzie posiadała pięć
elementów jednobajtowych, które zostaną zainicjalizowane po kolei wartościami od 1
do 5. Natomiast tab2 będzie posiadała 6 elementów dwubajtowych, zainicjalizowanych
kolejno liczbami podanymi w nawiasach klamrowych. Proste, prawda? Wiesz już, jak tworzyć
i inicjalizować tablice w języku C. Dla jasności mógłbyś także dokonać zapisu:
uint8_t tab1[5] = {1,2,3,4,5};
Jednak gdybyś się pomylił i w inicjalizacji wpisałbyś nie 5 a więcej elementów, to wtedy
kompilator ostrzegłby cię o tej sytuacji wyraźnie.
uint8_t tab1[5] = {1,2,3,4,5,6,7,8};
Taka sytuacja jak powyżej spowodowałaby błąd w trakcie kompilacji, dlatego najczęściej,
jeśli inicjalizujemy tablicę w momencie definiowania, pomijamy także ilość elementów
w nawiasach kwadratowych. Zobacz, w jak prosty sposób definiujemy tablice łańcuchów
przy użyciu stałych tekstowych, o których pisałem wyżej:
char bufor[100];
char napis2[] = „Nowy tekst”;
Pierwsza tablica znaków o nazwie bufor została zdefiniowana i zarezerwowane zostało na
jej potrzeby 100 bajtów przez kompilator. Jednak nie dokonaliśmy inicjalizacji. Ponieważ
chcemy zainicjalizować drugą tablicę, to nie wpisujemy ilości bajtów, gdyż zostaną one
wyliczone na podstawie długości znaków tekstu plus jeden na znak null. Oznacza to, że
w tym konkretnym przypadku na tablicę o nazwie napis2, kompilator zarezerwuje 11
bajtów. (10 Znaków tekstu oraz jeden znak null). Zapytasz zapewne od razu, gdzie taka
tablica znaków zostanie zarezerwowana, w jakiej pamięci – RAM, FLASH, czy EEPROM?
Jeśli nie zostanie podany żaden dodatkowy specyfikator standardu AVR GCC, to zawsze
zostanie domyślnie zarezerwowane miejsce w pamięci RAM.
O ile czasem potrzeba nam buforów na znaki czy teksty, na których będziemy wykonywali
różne operacje w pamięci RAM, co oczywiste. To jednak często potrzebować będziemy,
aby zdefiniować pewne łańcuchy znaków, teksty na stałe w pamięci FLASH albo w pamięci
EEPROM, żeby można było później programowo podmieniać ich zawartość wg własnego
uznania. Np. jakieś napisy na wyświetlaczu LCD itd.
Jak wspomniałem, aby dokonać rezerwacji w innej pamięci niż RAM, trzeba użyć specjalnych
specyfikatorów. Spowoduje to jednocześnie, że odczyt takich danych z pamięci FLASH i
EEPROM będzie wyglądał inaczej niż z pamięci RAM. A jeszcze inaczej będziemy dokonywali
28. Strona | 76
modyfikacji ich zawartości, czyli zapisu do pamięci EEPROM. Wybiegając jednak troszeczkę w
przyszłość, pokażę ci, jak prosto można umieścić napis w tych rodzajach pamięci nieulotnych.
char tab1[] EEMEM = „Napis w pamięci EEPROM”;
char tab2[] PROGMEM = „Tekst w pamięci FLASH”;
Wystarczyło posłużyć się pisanymi dużą literą specyfikatorami EEMEM lub PROGMEM.
Prawda, że proste? Wprawdzie będzie to się wiązało jeszcze z podłączeniem odpowiednich
bibliotek za pomocą plików nagłówkowych jak: eeprom.h dla specyfikatora EEMEM i operacji
na pamięci EEPROM oraz pgmspace.h dla specyfikatora PROGMEM i operacji odnośnie
odczytu z pamięci FLASH. W tej chwili tylko to sygnalizuję, za jakiś czas powrócimy
w szczegółach do tych tematów, ponieważ będą nam bardzo potrzebne.
Na temat typów złożonych, jak wskaźniki i funkcje, porozmawiamy dokładniej w dalszych
częściach książki.
4.3.1.2 Zakres widoczności zmiennych
Jest to bardzo istotne zagadnienie. Jak zwykle brak wiedzy na temat choćby jego podstaw
powoduje wiele problemów nie tylko ze zrozumieniem programów w języku C ale także
z ich prawidłowym pisaniem.
Jak to jest? Do tej pory sporo mówiliśmy o definiowaniu zmiennych różnych typów. Nigdy
jednak nie wspominaliśmy, w jaki sposób są one widoczne, w jakich częściach programu
się znajdują. Wiesz już na pewno, że program w języku C zawsze składa się przynajmniej
z jednej funkcji – tej o nazwie main. Ale w rzeczywistości na cały kod programu składają
się dziesiątki, a czasem setki i tysiące różnorodnych funkcji. Zacznę, więc od przykładu,
jeśli zdefiniujemy zmienne w taki sposób:
int k,w; // definicja zmiennych globalnych
int max(uint8_t a, uint8_t b); // deklaracja funkcji max()
int main(void) // początek programu – main()
{
uint8_t z=5, s=20; // definicja zmiennych lokalnych
uint8_t m=13; // definicja zmiennej lokalnej
k=max(z,s); // wywołanie funkcji max, wynik do k
}
int max(uint8_t a, uint8_t b) // definicja funkcji max()
{
int z=10; // definicja zmiennej lokalnej
// obliczenia i zwrot wyniku
return (a>b) ? (a*z)+w : (b*z)+w;
}
To w wyniku jego analizy możemy określić po kolei, co się dzieje w następujący sposób.
(Pewne informacje zawarłem już, jak widzisz, w przydatnych komentarzach).
Zmienne k oraz w posiadać będą zakres globalny w pliku, w którym znajduje się ta część
kodu programu. Może jeszcze nie wiesz, ale kod programu może znajdować się w wielu
29. Strona | 77
plikach. Jednak zasięg globalny w tym momencie nie odnosi się do całego projektu, czyli
wszystkich plików programu, a tylko i wyłącznie do tego pliku (o ile nie zmienimy tego
stanu rzeczy za pomocą specjalnych specyfikatorów, o czym później).
Zakres globalny w ramach pliku oznacza, że zmienna taka jest widoczna i nadaje się do
użycia (odczyt lub zapis, o ile nie jest typu const), we wszystkich funkcjach programu! Jak
widzisz, używamy zmiennej globalnej o nazwie k w funkcji main(), natomiast zmiennej
w także wewnątrz funkcji max(). Nie ma z tym najmniejszego problemu, kompilator nie
zgłasza żadnych zastrzeżeń.
Wewnątrz funkcji main()definiujemy kilka zmiennych, które nazywam już w komentarzach
zmiennymi lokalnymi. Oznacza to, że zakres ich widoczności znacznie się ograniczył. Podobnie
wewnątrz funkcji max() zdefiniowana jest zmienna lokalna o nazwie z.
Wchodząc w szczegóły wyjaśniam, że np. zmienne lokalne zdefiniowane wewnątrz funkcji
main() będą dostępne tylko i wyłącznie dla dowolnych instrukcji programu także tylko
wewnątrz funkcji main(), nigdzie poza nią. Zatem gdybyśmy próbowali się w jakikolwiek
sposób odwołać do którejś z nich w innej funkcji np. max() – to kompilator zgłosiłby błąd i
przerwał kompilację. Podobnie ze zmienną lokalną o nazwie z zdefiniowaną wewnątrz funkcji
max(), nie jesteśmy w stanie z niej skorzystać poza tą funkcją, czyli w funkcji main()
albo dowolnej innej, jeśli by taka jeszcze występowała. Próba użycia także skończyłaby się
błędem w trakcie kompilacji.
Aby dokończyć analizę tego programu, dodajmy, że widać także powyżej głównej funkcji
programu deklarację funkcji max(). Dzięki temu kompilator analizując kod od góry, linia
po linii, gdy natrafi na odwołanie się w kodzie (wewnątrz funkcji main) do funkcji max(),
będzie wiedział, że taka istnieje. Zadeklarowaliśmy ją w tym celu wcześniej. Natomiast
poniżej funkcji main()widzimy już definicję funkcji max(), czyli cały kod programu,
jaki ona zawiera. Reasumując:
Zmienne globalne to te, które zdefiniujemy na początku kodu programu, przed ciałem
funkcji main(), będą zawsze miały globalny zakres widoczności. Każda funkcja programu
będzie miała do nich dostęp.
Zmienne lokalne to te, które zdefiniowane zostaną wewnątrz każdej z funkcji,w tym także
funkcji main(). Będą one widoczne tylko dla instrukcji kodu programu zawartych wewnątrz
funkcji, w których są zdefiniowane.
Występują jeszcze inne typy zmiennych, jak np. takie ze specyfikatorem static, ale o tym
później.
4.3.1.3 Typ void
Ten typ, void, wiąże się ściśle z typami złożonymi, o których pisałem wyżej. Praktycznie
samodzielnie, w pojedynkę nigdy nie występuje. Natomiast w połączeniu z typami złożonymi
może mieć nieco różne znaczenia, choć zwykle mówi o tym, że mamy do czynienia z czymś
nieznanym. Jest to tak naprawdę jeden z fundamentalnych typów języka C. Poniżej kilka
przykładów, chociaż ich szczegółowym wyjaśnianiem także zajmiemy się później:
void *wsk;
void *p;
void fun(void);
30. Strona | 78
Teraz krótkie wyjaśnienie do powyższych linii kodu programu. W pierwszej i drugiej
wykonaliśmy definicję wskaźnika o nazwie wsk oraz p, które pokazują nam na obiekt
nieznanego typu. Napisałem obiekt, ponieważ równie dobrze taki wskaźnik będzie mógł
później posłużyć do pokazywania na zmienną dowolnego typu podstawowego lub złożonego
albo nawet na funkcję programu.
W trzeciej linijce pierwszy specyfikator void ten przez nazwą funkcji mówi o tym, że
zdefiniowana w ten sposób funkcja nie będzie zwracać żadnego wyniku. Natomiast specyfikator
void pomiędzy nawiasami okrągłymi mówi, że do tej funkcji nie będą przekazywane żadne
argumenty.
4.3.1.4 Specyfikator const
Czasem zdarzać się będzie, że w programie zechcesz używać niektórych zmiennych, które
będą przechowywały przez całe życie programu pewne stałe wartości. Powiem więcej,
chciałbyś mieć możliwość, żeby przez przypadek żaden fragment rozbudowanego programu nie
zniszczył przypadkiem tej stałej. Wtedy przyjdzie ci z pomocą specyfikator const. Załóżmy, że
w jednej zmiennej dla całego programu chcesz przechowywać wartość jakiegoś współczynnika
podziału. Niech posiada on stałą wartość równą np. 45. Inna zmienna będzie przechowywała
do pewnych obliczeń liczbę PI. Możemy zatem używając specyfikatora const napisać:
const uint8_t wspolczynnik = 45;
const float PI = 3.14;
Od tej pory możesz używać zmiennej współczynnik oraz PI ale tylko i wyłącznie w trybie
do odczytu. Gdy tylko spróbujesz nawet przez pomyłkę zmienić zawartość jednej z tych
zmiennych, od razu kompilator zareaguje błędem w trakcie przeprowadzania kompilacji.
Zwrócę uwagę na dodatkową kwestię. Wprawdzie nie znasz jeszcze zagadnień związanych
z preprocesorem. Jednak istnieje pewna dyrektywa tegoż preprocesora o nazwie #define.
Dzięki niej moglibyśmy uzyskać bardzo podobny efekt, jeśli chodzi o możliwość zdefiniowana
pewnych stałych wartości, o jakich mówiłem powyżej. Oznacza to, że używając zapisu z
przykładu poniżej:
#define wspolczynnik 45
#define PI 3.14
otrzymujemy pozornie identyczną sytuację. Od tej pory możemy się posługiwać identyfikatorami
wspolczynnik oraz PI na podobnej zasadzie. Istnieją jednak podstawowe różnice,
o których warto wiedzieć, gdyż może to się okazać bardzo przydatne w trakcie pisania różnych
programów. Czasem warto będzie skorzystać ze specyfikatora const, a czasem wystarczy
#define. Oceni się to samemu, kiedy posiądzie się odpowiednią wiedzę i praktykę w tym
zakresie. Czym jednak z praktycznego punktu widzenia różni się dla nas deklaracja zmiennej
za pomocą #define od definicji ze specyfikatorem const? W oparciu o informacje podane
wcześniej na temat różnic pomiędzy deklaracją a definicją zmiennej już powinieneś dostrzec
podstawową różnicę. Otóż definicja zmiennej/stałej ze specyfikatorem const od razu rezerwuje
miejsce w pamięci na tę zmienną. Natomiast sama deklaracja za pomocą dyrektywy #define
tego nie czyni. Dyrektywa #define powoduje z punktu widzenia kompilatora zadeklarowanie
stałej dosłownej, zatem kompilacja odbywa się w ten sposób, że w każdym miejscu, gdzie
kompilator napotka nazwę zadeklarowaną za pomocą dyrektywy #define po prostu podstawi
w to miejsce konkretną stałą wartość, która widnieje w tej deklaracji.
