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ａｒｄｕｉｎｏの標準機能の概要

arduinoに組み込まれている標準機能について簡単に纏めたいと思います。

まずはarduino－ＩＤＥの簡単な使い方を整理した上で、arduinoの言語に標準で取り込まれている各種機能についてその使い方などを纏めます。

概要

arduinoの開発言語や開発環境は、ＡＶＲやマイコン、コンピュータ言語、電子回路などといった知識があまりなくても簡単に利用することが出来るように、特に入出力に関する部分について容易に利用できるような仕組みが盛り込まれています。

ＰＣとのやり取りにはシリアル通信機能が、センサー類との接続にはＡＤ変換機能が、アナログ出力についてはＰＷＭを用いた出力が、といった具合です。これらはarduinoの基本仕様に取り込まれていて、きわめて簡単な命令だけで利用できます。

arduinoの開発環境では、arduinoに対する命令は「プログラム」とは呼ばず「スケッチ」という名前で呼びます。他の開発言語を使用したことがある人にはピンと来るかと思いますが、プログラムというほど仰々しいものではなく、スケッチという表現がしっくり来るような、とても簡単な命令の組み合わせでarduinoを動かすことができてしまいます。

そして、出来上がったスケッチはＵＳＢケーブル（またはシリアルケーブル）を使い、arduino本体にアップロードすることが出来ます。

（アップロードを行うブートローダ関係のことはarduinoの概略の方にまとめておきます）

これら一連の開発環境のうち、ＰＣ上でスケッチを入力するエディタや、コンパイルをするコンパイラ、arduinoに実行プログラムをアップロードするアップローダ、プログラムの実行中にarduinoと通信を行う通信環境等をすべてひっくるめたソフトはArduino Softwareといって、公式ページから無料でダウンロードできます。いわゆる統合環境の一種なので、arduino－ＩＤＥ（Integrated Development Environment）と呼びます。

現時点：バージョン００１１については、ｗｉｄｏｗｓ版、ｍａｃ版、ｌｉｎｕｘ版の３種が公開されています。

arduino－ＩＤＥの正体

arduino－ＩＤＥの画面

arduino－ＩＤＥは、ＰＣ上で動く統合開発環境の一種です。下の図はバージョン００１１の取り込み画面です。

ＩＤＥには、スケッチを書くためのエディター、スケッチを実行ファイルに変換するコンパイラー、実行ファイルをアップロードするアップローダー、実行時にシリアル通信でarduinoとメッセージをやり取りするシリアルモニターなどの機能が1つのソフトに組み込まれています。

画面の中央白い部分はスケッチ（＝プログラム）を書くためのテキストエディターになっており、上部にはコンパイルボタンや arduinoへのアップロードボタン、シリアルモニターの表示非表示切り替えのボタンがあります。

画面の下部の黒い部分にはコンパイル時などにＩＤＥからのメッセージが表示される所です。ココはボタン押下でシリアルモニターに切り替えて使うことも出来ます。以下の図はシリアルモニターに切り替えて、arduinoと相互に通信をしているところです。

統合環境というくらいですから、スケッチ（プログラム）の作成、修正やコンパイル、arduinoへのアップロードといった一連の動作がこの画面上からすべてシームレスに行えるようになっています。

ちなみに、画面下部の黒い部分ですが、arduinoから送られてきたメッセージ（ａｓｃｉｉ文字）が黒い部分に表示されます。

その上の白いボックスは、ココにキーボードからメッセージ（ａｓｃｉｉ文字）を入力し「Ｓｅｎｄ」ボタンを押すことで、ＰＣからarduinoに対して文字を送ることも出来ます。送受信レートもスケッチの内容に合わせて任意に選べます。（画面では９６００ｂｐｓに設定）

arduino－ＩＤＥの内部…コンパイル環境について

この節はちょっと細かい話なので読み飛ばして、まずは「ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄ」を実際に動かしてみた方が話が早いかもしれません。ご興味のある方だけご一読を。

さて、そのコンパイル機能について。arduino-ＩＤＥのコンパイラの実体は、実はｇｃｃです。正確に言うと、ｇｃｃとプリコンパイラを組み合わせたものです。ｇｃｃとは、以前はｇｎｕ　Ｃ　ｃｏｍｐｉｌｅｒの略だったんですが、現在はＣ言語だけでなくＣ＋＋なども取り込んだものに拡張されており、ｇｎｕ　ｃｏｍｐｉｌｅｒ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎの略だとも言われています。要は、Ｃ言語系のコンパイラと思って良いと思います。

画面上のコンパイルボタンを押すと内部ではスケッチを一旦プリコンパイルという作業を通してｇｃｃでコンパイル可能なプログラムに変換し、それをｇｃｃでコンパイルするという流れで実行ファイルが生成されます。出来上がった実行ファイルはボタン一発でarduino上のブートローダ経由でarduino本体にアップロードされます。

というわけなので、実はｇｃｃでコンパイルできるようなＣ言語やＣ＋＋の文法に従ったプログラムならスケッチに混ぜても凡そ動いてしまいます。

Ｃ言語やＣ＋＋は知らなくても全然構いません。arduinoの開発言語は簡単なので、知らなくても十分使えます。逆に、arduinoではプログラムではなく「スケッチ」と呼ぶくらいに、可読性や書きやすさを重視した体系になっているので、Ｃ言語やＣ＋＋スタイルのプログラムをゴチャゴチャと織り交ぜて書くより、arduinoの体系に則ってスマートなスケッチを記述する方が粋だよねぇ、という気がします。

なお、arduinoではコンパイルと呼ばずにverifyと呼ぶようです。文法エラーなどがあればコンパイル時に表示されるので、エラーの有無を「照合」しておいて、その後arduino本体にアップロードして動作させるという捉え方のようです。 arduinoやgainerは単なるマイコンの開発言語／実行環境というよりは、「フィジカルコンピューティング」のプラットホームとして創られ発展してきたもので、コンピューターだとかコンパイラだとかに詳しくないメカ系の人にも解り易く、という思想に基づいているようです。他のマイコンボードなどと比べ、サーボモーターや各種センサーとの接続が容易に出来るようになっているのもそのせいでしょう。

左上のコンパイルのボタンのところにカーソルを持っていくと「verify」と表示されますが、とにかくこのボタンを押すとコンパイルが実行されます。

arduinoのスケッチとして、いわゆる「ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄ」のサンプルを以下に記しておきます。

ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄをやってみよう

ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄのスケッチ

新しい環境で何かプログラムを作ってみるとすれば、まずやはり「ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄ」をやってみたくなると思います。なので、ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄを実際にスケッチしてみます。

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  Serial.println("hello world");
}

これだけ！

このスケッチをコンパイルしてarduinoにアップロードすると、arduinoがＰＣ宛に「ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄ」のメッセージを送ってきます。

一応解説します。setup関数ではまずＰＣとシリアル通信をするために通信速度を9600bpsに設定しています。そして、loop関数の中で、文字列「hello world」と改行マークをＰＣに送信しつづけます。簡単ですね。（ちなみに、printlnが改行あり、printが改行なしです）

もしｇｃｃで同じ事を行おうとすれば、ＡＴ－ＭＥＧＡ１６８内部の各種デジタルピンの設定レジスタや、ＵＳＡＲＴ関連の内部レジスターファイルの設定、処理用のバッファの確保などなど…、もろもろの面倒なことを自分で行う必要があるわけですが、シリアル通信についてはarduinoの基本仕様に取り込まれているのでこんな簡単なスケッチでｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄを実現できてしまいます。（ｃｆ：Ｃ言語なら最低でも標準入出力用のヘッダファイル「stdio.h」程度は利用しないとこの手のｉ／ｆには事欠くことを考えれば、如何に簡単か…）

スケッチの保存方法と保存先について

スケッチは、メニューボタンの「Ｓａｖｅ」ボタンを押すか、メニューバーから「Ｓａｖｅ」か「Ｓａｖｅ　ａｓ」を選ぶと保存できます。なお、標準の保存先は「マイドキュメント」の中の「arduino」フォルダです。

保存されるファイルには拡張子が．ｐｄｅという形式になるんですが、自分で拡張子を付ける必要はありません。作成したスケッチに適当に名前を付けて保存を実行すると、「マイドキュメント」の中の「arduino」フォルダの中に、各スケッチ毎にフォルダ分けされて保存されます。

名づけたスケッチ名で自動的にフォルダが作成され、その中に．ｐｄｅファイル（スケッチ本体）や関係ファイル一式が保存されます。（他の開発環境で言うところのプロジェクトファイル一式が保存されるイメージ）

この「arduino」フォルダのことをarduino－ＩＤＥでは「Ｓｋｅｔｃｈｂｏｏｋ」と呼んでいて、Ｓｋｅｔｃｈｂｏｏｋの中にたくさんのスケッチがフォルダ分けされて保存されているという具合です。そのフォルダ内にある＊＊＊＊＊．ｐｄｅというのが、実際にエディタで打ち込んだプログラム（スケッチ）の実体です。

この図では、ｔｅｓｔ１とかｔｅｓｔ１０といった一つ一つのフォルダがスケッチにあたる訳ですが（センスの無い名前ばかりですみません）、これらの実体は「マイドキュメント」フォルダの中の「arduino」フォルダの中に個々の”フォルダ”として保存されています。

後で呼び出すには、ファイルメニューの「Ｓｋｅｔｃｈｂｏｏｋ」にこれまでに保存したスケッチの一覧（つまりフォルダ名の一覧）が表示されるので、それをマウスで選ぶだけです。

完成したスケッチを実行してみる

スケッチを書いてコンパイルが通ったら、arduinoにアップロードして実行してみます。

まずＰＣとarduinoを通信ケーブル（arduinoのタイプによって９ピンシリアルケーブルやＵＳＢケーブルを使用）で接続したら、aruduinoボード上のリセットボタンを押します。するとarduinoに内蔵されたブートローダーが約１０秒間プログラムのアップロード待ちになります。その間にＰＣ画面上でarduino－ＩＤＥのアップロードボタンをクリックするとアップロードが始まります。

無事アップロードが終るとまたブートローダーが再起動します。今のうちにシリアルモニターモードに切り替えておいて、そのまままた１０秒間待ってください。１０秒経つとｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄが起動されます。

ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄの場合シリアル通信でＰＣ宛に”ｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄ”の文字列が送信されるのですが、この送受信にはプログラムのアップロードと同じシリアルケーブル（もしくはＵＳＢケーブル）が使われるので、シリアル通信用のケーブルなどを別途用意する必要はありません。

setup関数とloop関数について補足

上記のｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄのスケッチでは、setup関数とloop関数という2つの関数が登場してきます。

関数というのはＣ言語等を使ったことのある人にはなじみがあるかと思いますが、サブルーチンみたいなものです。Ｃ言語の場合、引数の有無、戻り値の有無に関わらず関数という形態で呼び出しを行うことになっています。（本題から逸れるので詳説は省きます）

arduinoのスケッチは、実行時にまず1回だけsetup関数が呼び出され、その後、loop関数が無限に呼び出し続けるという形で制御されます。なので、起動時の初期化処理などをsetup関数に記述し、メインとなる処理をloop関数に書いておけばよいわけです。

さて、Ｃ言語を使ったことのある人にとってはmain関数がどうなっちゃっているのかが気になるところだと思いますので、その点について少し補足を。

Ｃ言語では一番最初にmain関数が呼び出されることになっています。実は、arduinoのsetup関数とloop関数は上述のプリプロセッサを通してｇｃｃ用プログラムになった際、main関数の内部で1回だけsetup関数を呼び出し、その後無限ループの中でloop関数を繰り返し呼び出しつづける、というプログラムに展開されることになっています。

というわけで、実際のカラクリはとてもシンプルですね。

要らなくなったスケッチの捨て方

スケッチが不要になったら、簡単に廃棄することが出来ます。

Ｓｋｅｔｃｈｂｏｏｋのフォルダである「マイドキュメント」フォルダ内の「arduino」フォルダから、廃棄するスケッチ名と同じフォルダ（＝スケッチ一式）を丸ごとゴミ箱にポイッです。それだけ。

arduino－ＩＤＥの標準機能

上記のｈｅｌｌｏ　ｗｏｒｌｄではひとまずシリアル通信機能についてお試しをしてみましたが、これ以外にも arduinoの開発言語仕様には元々取り込まれている便利な機能があります。

算術計算機能や条件判定、繰り返し等といった、どの処理言語でももっているような基本的な機能のほかに、外部機器とのやり取りを簡単に行うためのデジタル入出力機能、アナログ入出力機能、そして上述のシリアル通信機能等が組み込まれています。

詳しいことは公式サイト（英文）のReferenceページに記載されていますが、特にarduinoの特徴的なところを、以下の各ページにかいつまんで纏めておきたいと思います。他言語と共通するようなところは端折ります。

また、これら標準機能に取り込まれていないけど便利な機能（サーボモーター、ＬＣＤ、Ｉ２Ｃ機器、タイマー割り込みなど）は「ライブラリ」という形で公開されており、簡単な手続き（#include文という命令）を使ってライブラリの機能を取り込み利用することが出来ます。ライブラリについてはライブラリのページをご覧ください。