Mit Arduino die elektronische Welt entdecken. Erik Bartmann

Form abzubilden, wurden die sogenannten Hochsprachen‌ wie C/C++, Java und C# – um nur einige wenige zu nennen – entwickelt. Die Befehle aus dem vorliegenden Sketch sind allesamt auf Englisch, was für fast alle anderen Programmiersprachen ebenfalls gilt. Jeder einzelne Befehl beschreibt in mehr oder weniger deutlicher Weise, welche Funktion dahinter verborgen ist. Unser delay-Befehl bedeutet übersetzt Verzögerung oder Aufschub und darunter kann sich sicherlich jeder etwas vorstellen. Ein Mikrocontroller kann damit jedoch zunächst nicht das Geringste anfangen und deshalb müssen wir ihm auf die Sprünge helfen. Warum? Nun, ein Mikrocontroller und jede andere CPU kann lediglich Befehle in Form der ganz persönlichen Muttersprache, auch Maschinensprache‌ oder Native Language‌ genannt, verstehen und diese ist für jeden Mikrocontroller-Typen meist anders definiert. Somit wird eine Übersetzungsinstanz benötigt, die unsere Hochsprache, beim Arduino ist das C++, in eine für den Mikrocontroller verständliche Maschinensprache übersetzt. Diese Arbeit übernimmt ein sogenannter Compiler‌.

      Was ist ein Compiler?

      Ein Compiler ist ein Übersetzungsprogramm, das den Quellcode einer Hochsprache wie zum Beispiel C++ in eine Sprache übersetzt, die der jeweilige Prozessor beziehungsweise Mikrocontroller versteht.

      Die Arduino-Entwicklungsumgebung besitzt – wie oben bereits erwähnt – mehrere kleine Symbole mit dahinter verborgenen Aktionen. In der folgenden Liste sind die beiden wichtigsten Symbole und deren Funktion zu sehen. Natürlich sind die anderen auch wichtig, doch diese hier sind eben essentiell wichtig:

Tabelle 1: Ein paar wichtige Icons für den Anfang
Symbol	Funktion
	Überprüfung des Quellcodes durch Kompilierung
	Übertragung zum Mikrocontroller starten, wenn Kompilierung erfolgreich war

      Das erste Symbol überprüft den Quellcode‌ – so nennt sich der Text im Editor einer Entwicklungsumgebung – auf Richtigkeit. Was bedeutet aber Richtigkeit? Nun, jede Sprache verfügt über eine gewisse Grammatik. Wird bei der Kommunikation nicht korrekt auf diese Regeln zurückgegriffen, versteht der andere Kommunikationsteilnehmer die Absicht des Sprechenden nicht. Ebenso verhält es sich bei der Programmierung. Werden die Befehle nicht genau so geschrieben beziehungsweise formuliert, wie der Compiler sie versteht, kommt es unweigerlich zu einem (Syntax-) Fehler und der Compiler bricht seinen Übersetzungsvorgang mit einer entsprechenden Fehlermeldung ab. In der folgenden Abbildung 5 ist der Ablauf nach Anklicken des Überprüfen-Symbols zu sehen:

      Zu Beginn startet die Kompilierung mit der Anzeige des Fortschritts über den grünen Balken. Ist kein syntaktischer Fehler gefunden worden, wird dieser Vorgang mit der Meldung beendet, dass die Kompilierung abgeschlossen ist. Ein Upload des Maschinencodes zum Mikrocontroller des Arduino Uno erfolgt dabei nicht. Wurde jedoch ein Fehler im Sketch-Code gefunden, so bricht der Vorgang des Kompilierens mit einer entsprechenden Fehlermeldung ab.

      Das zweite Symbol analysiert ebenfalls den Quellcode‌ und es werden die gleichen Prozeduren wie beim Überprüfen durchgeführt. Jedoch erfolgt hier nach einer fehlerfreien Kompilierung das Hochladen des Maschinencodes zum Mikrocontroller des Arduino Uno. Auf der nachfolgenden Abbildung 6 ist der Ablauf zu sehen:

Abb. 5: Der Ablauf nach Anklicken des Überprüfen-Symbols

Abb. 6: Der Ablauf nach Anklicken des Hochladen-Symbols

      Zu Beginn startet die Kompilierung mit der Anzeige des Fortschritts über den grünen Balken. Ist kein syntaktischer Fehler gefunden worden, wird der Prozess des Hochladens zum Mikrocontroller gestartet, der ebenfalls eine Fortschrittsanzeige auf einem grünen Balken bietet. Nach erfolgreichem Hochladen erscheint die Meldung, dass das Hochladen abgeschlossen wurde. Bei einem Fehler im Sketch-Code bricht der Vorgang des Kompilierens mit einer entsprechenden Fehlermeldung ab, wie das auch bei der Überprüfung der Fall war.

      Es kann auch ohne Umweg über das vorherige Kompilieren sofort das Hochladen gewählt werden, weil eine vorherige Kompilierung dort ebenfalls ausgeführt wird. Während des Uploads – so wird das Hochladen im Englischen genannt – leuchten einige LEDs, die sich auf dem Arduino-Board befinden. Schauen wir genauer hin:

      Abb. 7: Drei wichtige LEDs auf dem Arduino

      Links neben dem Arduino‌-Schriftzug finden wir drei LEDs. Eine davon ist unsere LED mit der Bezeichnung L, die den Zustand am digitalen Pin 13 widerspiegelt. Etwas darunter sehen wir zwei weitere LEDs mit den Bezeichnungen TX (Senden) und RX (Empfangen). Es handelt sich um die Statusanzeigen der seriellen Schnittstelle, über die das Arduino-Board mit dem Computer verbunden ist. Und beim gerade angesprochenen Upload werden die Maschinensprachinformationen über diese Schnittstelle versendet‌. Das Board quittiert diesen Vorgang mit einem unregelmäßigen Blinken der beiden genannten LEDs. Wurde der Upload beendet – aus welchen Gründen auch immer – erlöschen die beiden LEDs wieder. Somit haben wir eine sehr gute optische Kontrolle über den Upload-Vorgang. Nach dem erfolgreichen Upload blinkt die LED L in kurzen Zeitabständen und wir können sicher sein, dass unser modifizierter Sketch funktioniert hat. Auf der rechten Seite der Abbildung sehen wir eine weitere LED mit der Bezeichnung ON. Sie leuchtet, wenn das Board mit Spannung versorgt wurde.

      Der Maschinencode des Arduino

      Der folgende Abschnitt hat zwar nicht unmittelbar etwas mit der Programmierung des Arduino-Boards zu tun, aber es ist wichtig, dass du die Schritte verstehst, die im Hintergrund ablaufen. Ich habe ja schon ein wenig über die Entwicklungsumgebung, den Compiler und die Programmiersprachen C/C++ erzählt. Wie läuft die Kompilierung ab und was wird eigentlich zum Mikrocontroller des Arduino-Boards übertragen?

      Abb. 8: Was passiert im Hintergrund bei der Übertragung des Sketches zum Arduino-Board?

      Wir können den Ablauf in einzelne logische Schritte unterteilen:

      Schritt 1

      Es findet die Überprüfung des Sketch-Codes durch die Entwicklungsumgebung statt, um sicherzustellen, dass die C/C++-Syntax korrekt ist.

      Schritt 2

      Danach wird der Code zum Compiler (der Compiler heißt übrigens AVR-GCC‌) geschickt, der daraus eine für den Mikrocontroller lesbare Sprache, die Maschinensprache, erstellt.

      Schritt 3

      Im Anschluss wird der Code mit einigen Arduino-Bibliotheken, die grundlegende Funktionalitäten bereitstellen, zusammengeführt und als Ergebnis eine Intel-HEX Datei‌ erstellt. Es handelt sich dabei um eine Textdatei, die binäre Informationen für Mikrocontroller speichert. Hier zeige ich