Платформа Arduino как система программирования для микроконтроллеров AVR завоевала заслуженную популярность. Платы Arduino стали очень дешевы (не фирменные конечно, а те, которые делают китайцы и продают на ebay, aliexpress и dx.com), примеров кода очень много, среда программирования и язык хорошо описаны, для большинства электронных устройств и микросхем написаны готовые библиотеки. Однако профессионалы и радиолюбители, которые уже имеют минимальный опыт работы с микроконтроллерами, часто говорят про Arduino с отвращением, и предпочитают использовать традиционные инструменты разработки (avr-libc + gcc, WinAVR, AVR Studio, IAR). Почему?

Если Вы относитесь к абсолютным новичкам, которые ничего (или почти ничего) не понимают в схемотехнике, и совсем не умеют программировать (но очень хотят научиться), то вариантов для Вас нет - Arduino подойдет лучше всего. Если Вы продвинутый радиолюбитель, то из Arduino ничего полезного для себя не получите, Вы и так знаете что делать и как превратить микроконтроллер в рабочее устройство. Но если сомневаетесь в выборе, что для Вас лучше, то нужно изучить вопрос поподробнее - в чем преимущество каждого метода программирования?

Для того, чтобы понять, в чем тут дело, давайте бросим общий взгляд на принципы программирования в Arduino и на обычном GCC (язык C). Условно назовем программирование на Arduino как AVR Arduino, и традиционное программирование как AVR GCC. Для тестов возьмем обычную Arduino-совместимую плату metaboard [1] (микроконтроллер ATmega328P), попробуем написать для неё код AVR Arduino и код AVR GCC, и подробно разберем, в чем разница.

В качестве примера разберем традиционный HelloWorld для микроконтроллеров - мигание светодиодом. Сравнивать обе системы будем по следующим параметрам, которые особо важны для новичков:

• Среда программирования
• Обзор языка, как построена программа
• Как прошивать программу в память микроконтроллера платы
• Отладка программы
• Цена железа
• Эффективность кода, дополнительные возможности

[Среда программирования]

В плане простоты установки и использования платформа AVR Arduino (и её среда разработки Arduino IDE) однозначно выигрывает. Но в плане удобства использования и функционала Arduino IDE намного беднее по сравнению с AVR Studio (или Atmel Studio) или другими аналогичными инструментами.

[Обзор языка: как построена программа]

У нас будет простейшая схема тестового устройства - светодиод через нагрузочный резистор подключен к цифровому порту 13 Arduino, это соответствует ножке порта GPIO PB5 микроконтроллера ATmega328P (подробнее про соответствие нумерации портов Arduino и соответствие этой нумерации ножкам микроконтроллера см. [2]).

Программа должна на 0.5 секунды выдавать в порт лог. 1 (светодиод загорится), и затем на 0.5 секунды выдавать лог. 0 (светодиод погаснет). В результате получатся мигания светодиодом с частотой 1 Гц.

// Переменная для организации интерфейса со светодиодом (LED),
// используется порт 13 Arduino:
int Led = 13;
 
//Подпрограмма предварительной настройки.
void setup ()
{
   pinMode (Led, OUTPUT);     // настройка порта LED как выхода
}
 
// Главный цикл программы.
void loop ()
{
   digitalWrite (Led, HIGH);  // зажечь светодиод
   delay (500);               // задержка на 500 мс
   digitalWrite (Led, LOW);   // погасить светодиод
   delay (500);               // задержка на 500 мс
}

//Подключение заголовков, в которых определены порты микроконтроллера,
// и имя подпрограммы задержки:
#include < avr/io.h >
#include < util/delay.h >
//Объявление имени LED для ножки порта, куда подключен светодиод:
#define LED PB5
// Основная функция, где находится главный цикл программы.
void main (void)
{
   //До начала главного цикла всегда делаются предварительные настройки.
   DDRB = (1 << LED);  // настройка порта LED как выхода
   
   //Главный бесконечный цикл программы.
   while(1)
   {
      PORTB |=  (1 << LED);     // зажечь светодиод
      _delay_ms (500);          // задержка на 500 мс
      PORTB &= ~(1 << LED);     // погасить светодиод
      _delay_ms (500);          // задержка на 500 мс
   }
}

Общая структура программы очень похожа у обоих систем, но очевидно, что у AVR Arduino все сделано намного проще, а у AVR GCC все выглядит для новичка сложнее, но зато для профессионала имеется весь набор возможностей.

[Как прошивать программу в память микроконтроллера]

AVR Arduino. Программа загружается в память микроконтроллера через USB, прямо в среде программирования. Программатор при этом не нужен. Технология загрузки работает на основе программы UART bootloader, которая прошита в память микроконтроллера Arduino. Обмен данными при этом идет через порты 0 и 1, и порт соединен с USB через специальный, заранее установленный на плате чип FTDI (преобразователь Virtual USB COM - TTL RS-232). Ничего настраивать особо не надо, нужно только подключить к компьютеру плату кабелем USB (драйвер FTDI устанавливается при установке Arduino IDE), и выбрать после компиляции в меню Файл -> Загрузить (Ctrl+U).

AVR Studio. Можно так же пользоваться USB-загрузчиками (наподобие USBasp или BootloadHID), но для прошивки надо пользоваться отдельными утилитами - такими как Khazama, AVRDUDE и т. п. Если знать, что и как делать, то никаких проблем нет, но для новичка это не самый лучший выбор.

Отдельно стоит остановиться на перепрограммировании фьюзов. В среде AVR Arduino такого понятия не существует как класс. Оно и понятно, так как этот вопрос довольно сложный, и в нем иногда путаются даже знатоки. В среде AVR Studio при наличии внешнего программатора Вы можете управлять фьюзами как хотите, для этого имеется специальная довольно удобная оболочка для управления программатором.

[Отладка программы]

Для обоих систем программирования, и для AVR Arduino, и для AVR GCC сразу доступна система отладки на основе последовательного порта UART. Отличие только в том, что в Arduino все уже готово и настроено, осталось только вставить в программу операторы отладочного вывода и открыть окно монитора, а в случае AVR GCC все настраивать и подготавливать надо самому [5]. Само собой, это обстоятельство тоже переманивает новичков в сообщество Arduino. Так что способ отладки по типу написал - прошил - проверил - не заработало - снова написал - прошил -... доступен как для Arduino, так и для GCC, но у Arduino все существенно проще и все подготовлено заранее.

Зато если у Вас есть отладчик AVR Dragon или AVR JTAGICE mkII, то в среде для AVR Studio для Вас открывается море волшебных возможностей - полноценная отладка и по исходному коду, и по дизассемблированному листингу программы, просмотр регистров и памяти, точки останова, пошаговое выполнение программы! Вместе с отладочным выводом через UART ни о чем больше программисту мечтать не надо, написание программ превращается в удовольствие. Для Arduino это счастье недоступно.

[Цена железа]

Под этим подразумевается, на каких платах можно изготавливать свои радиолюбительские устройства.

AVR Arduino. Ассортимент фирменных плат, которые просто "бери и используй" - довольно большой. Однако они достаточно дороги, цена начинается примерно с $30 (за Arduino UNO) и выше. Можно найти и подешевле, но тогда приготовьтесь встретиться со сложностями - либо нет встроенного в плату USB-TTL RS232, либо в плату не прошит загрузчик (для Arduino Nano 3.0 за $6 это обычное дело), либо придется разбираться в настройках и документации.

Примечание: с дешевым железом, которое продается на ebay и в других подобных Интернет-магазинах, часто бывают непреодолимые для новичка трудности. Например, продается Arduino Nano, в которую не прошит загрузчик. Плата абсолютно исправна, определяется на компьютере как виртуальный COM-порт, но вместе со средой Arduino IDE работать отказывается! Для решения проблемы нужно прошить в память микроконтроллера загрузчик Arduino, работающий через UART. Но чтобы загрузчик прошить, его нужно сначала найти в Интернете, или скомпилировать, и затем прошить в память микроконтроллера. И при этом не забыть правильно установить фьюзы. Для тертого спеца это несложно, но у новичка обязательно возникнут проблемы. Так что придется покупать либо дорогую фирменную плату Arduino, либо собирать или покупать программатор, и во всем разбираться самому. Если новичок пройдет этот квест, то среда Arduino ему уже собственно не нужна =).

Если Вы делаете свою платку наподобие veroduino, то ограничены в выборе микроконтроллера - среда Arduino поддерживает не все микроконтроллеры, которые есть у Atmel.

AVR GCC. Тут просто море возможностей. Можно изготовить плату буквально на коленке (см. [6]), и это будет стоить копейки. И конечно же, Вы можете использовать абсолютно любое железо, любые платы, в том числе и самодельные конструкции на AVR - как Arduino-совместимые, так и не совместимые.

[Эффективность кода, дополнительные возможности]

Теперь давайте сравним размер кода, который дает скетч AVR Arduino, и программа AVR GCC на языке C. Обе выполняют свою работу, и выполняют её хорошо, но сколько места при этом занимает код?

Arduino IDE:

Размер скетча в двоичном коде: 1 090 байт (из 32 256 байт максимум)

AVR GCC (компиляция с оптимизацией по скорости, это установка по умолчанию):

AVR Memory Usage
----------------
Device: atmega328p
Program: 216 bytes (0.7% Full)
(.text + .data + .bootloader)
Data: 0 bytes (0.0% Full)
(.data + .bss + .noinit)

Как видите, результирующий код получается 1090 байт у AVR Arduino, и 216 байт у AVR GCC. Даже для такой простейшей программы GCC по размеру кода в 5 раз эффективнее Arduino! Как говорится, комментарии излишни. Если еще добавить, что у Arduino невозможно настроить никакие опции оптимизации и опции библиотек ввода/вывода (stdio/printf), память катастрофически кончается при попытке создать любую более-менее сложную программу, то понятно, почему у профессионалов одно упоминание про Arduino вызывает кривую усмешку.

Резюме - в прямых руках AVR GCC позволяет делать на порядок более эффективные и более сложные программы, чем Arduino.

Из всего вышесказанного не значит, что мне не нравятся платы Arduino. Вовсе нет - они очень удобны, недороги, практичны, их легко купить или даже сделать самому. Как раз платы Arduino я очень люблю, и с удовольствием применяю в разработках. Но мне не нравится именно среда программирования Arduino, и предпочитаю использовать традиционный GCC (AVR Studio или Atmel Studio, или даже Visual Studio [9]).

Выводы: если Вам нужно быстренько состряпать что-то типа светофора или новогодней гирлянды, или если надо как можно проще повторить какой-то готовый проект, то тогда Arduino хорошо подходит. Если же нужно решить задачу максимально эффективно, и Вы хотите как можно больше приблизиться к пониманию - как на самом деле все устроено и работает, то Ваш выбор язык C, тулчейн AVR GCC и даташит на используемый микроконтроллер. Arduino обычно выбирают те, кто готов пожертвовать эффективностью, скоростью кода и своими деньгами в угоду простоте использования железа и легкости программирования.

[Однако...]

Несмотря на то, что было выше сказано о недостатках Arduino, все-таки попадаются поистине удивительные проекты, совершенные во всех отношениях - и достаточно сложные, и эффективные. В качестве примеров можно привести радиоприемник ATS-20 [11] и SDR-трансивер uSDX [12]. Приходится признать, что при соответствующей квалификации на Arduino IDE можно творить чудеса.

[Ссылки]

1. Макетная плата metaboard.
2. Arduino ATmega328 Pinout site:hobbytronics.co.uk.
3. Я презираю Arduino site:habrahabr.ru.
4. Arduino: спасибо и прощай site:cxem.net.
5. AVR: отладочный вывод через UART (RS232 debug).
6. veroduino: самодельный дешевый Arduino.
7. 141122Khazama162.zip - утилита Khazama162, драйвер программатора USBasp для Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows 8, прошивки загрузчика USBasp для различных микроконтроллеров.
8. Arduino: описание процесса сборки скетча.
9. Использование MS Visual Studio IDE для программирования AVR/Arduino.
10. Arduino: как поменять для скетча значение F_CPU.
11. Многодиапазонный приемник на Si4732.
12. uSDX: микро-трансивер SDR на AVR.