基本程式介紹

--- tags : DIT 12th 教學 -- 新生教學 ---  # 基本程式介紹 Arduino 的框架是建立在 C / C++ 的基礎上，並且把一些所需要的參數設置都函數化，因此即使不了解底層的設置也能輕鬆上手。在此，我們簡單介紹寫程式的一些基本觀念吧！所謂的寫程式，其實包含了很多很多步驟，最重要的幾個就是： :::info 分析 -> 寫 -> 執行 -> 除錯 -> 完成 ::: 雖然看起來「寫」好像是主體，但其實分析可以說是這裡面最重要的一個步驟，有一句話是這麼說的：越早開始寫程式，就會越晚結束。如果分析做得太過倉促，常常會出現一些不該有的 Bugs ，讓你在後續的除錯過程當中感到痛苦，所以要記住，好好分析一下程式的輸入跟輸出應該要是甚麼東西，中間的架構、邏輯可以寫下流程圖，如此便會減少除錯的痛苦時光。 --- :::success :::spoiler 點這裡一下 \ 教學文件內有一些這種形式的說明欄，裡面有很多有趣或是重要的資訊，記得要閱讀喔～如果你準備好了，就讓我們開始一一介紹基本程式的概念吧。 ::: --- ## 變數 (Variables) 變數是程式中最基礎的東西，它是用來儲存資料的記憶體空間，使用者可以通過宣告不同的變數來將自己所需要的數值、資料存到記憶體當中，並且在日後從該處讀取出來。用盒子來比喻的話：儲存類型是箱子的類型，特定的物品只能放入特定的箱子；記憶體大小是箱子容量，當物品大小(可儲存數值)超過箱子容量就會發生溢位；而變數的名稱就是箱子的名稱了。下表為常用的資料型態與其相關資料 | 儲存類型 | 型態 | 占用記憶體大小 | 可儲存數值範圍 | |:--------:|:---------:|:--------------:|:-------------------------------------------------------:| | 整數 | short | 2 Bytes | -32,768 至 32,767 | | 整數 | int | 4 Bytes | -2,147,483,648 至 2,147,483,647 | | 整數 | long long | 8 Bytes | -9,223,372,036,854,775,808 至 9,223,372,036,854,775,807 | | 小數 | float | 4 Bytes | 小數點後 7 位 | | 小數 | double | 8 Bytes | 小數點後 15 位 | | 字元 | char | 1 Bytes | -128 至 127 (這些數值會對應到不同符號，如：'@', 'z', '1'等等) | | 布林值 | bool | 1 Bytes | false 或 true | 可以儲存的數值範圍不需要特別記下來，在一般的使用情境下，我們常常利用 int / double / char / bool 這幾種變數型態來儲存資料，像是整數的部分，除非已經知道需要儲存的資料非常龐大，否則使用 int 應該就非常足夠了。另外，只要我們理解電腦是如何利用記憶體儲存資料，就可以輕鬆計算出其可儲存的數值範圍。以 short 為例，因為 short 是 2 Bytes，每一個 Byte 相當於 8 bits，而每一個 bit 可以儲存 0 或 1，所以利用二進位的方式表示數字，就可以推算出一個 short 可以儲存的資料範圍為 0 ~ 2^16，但為了可以表示負數，習慣利用一個 bit 來判別，所以一個 short 真正可以表示的數值範圍為 -2^15 ~ 2^15 - 1，也就是上表寫的 -32,768 ~ 32,767。千萬要記得，根據不同的資料選擇對應的資料型態儲存相當重要，否則可能會發生溢位（overflow）的情形。 :::success :::spoiler 舉例說明 : 溢位 \ 一個 int 只有 4 Bytes（32 bits），其中有 1 個 bit 用來表達正負號。因此它能儲存的範圍為 -2^31 ~ 2^31-1，也就是上表寫的 -2,147,483,648 至 2,147,483,647。若使用 int 來儲存範圍以外的數字，就會發生溢位而造成程式錯誤，然而因為這種錯誤在語法上是沒有任何問題的，必須等到執行時才會發現錯誤，需要額外注意。 > 在歷史上，就曾經有一艘火箭因為沒注意到溢位問題，導致程式接收到的感測器數值錯誤，影響後面的控制，最終導致墜毀 ... [相關解釋影片](https://www.youtube.com/watch?v=5tJPXYA0Nec) ::: 以下示範如何宣告變數 : ```cpp= /* * 語法 : * 變數型態變數名稱_1, 變數名稱_2, ... ; */ int A; // 宣告一個整數型態的變數，變數名稱為 A float B = 5.2;// 宣告一個浮點數型態的變數，變數名稱為 B ，儲存的值為5.2 char C, D, E; // 若是需要同時宣告多個變數，可以使用逗號連結。 ``` ==變數的命名很自由，只有幾個規定== : - 只能使用大小寫英文、數字、底線 - 不能是數字開頭 - 不能使用保留字（Reserved Keywords），避免編譯器誤解語句的意思。 :::success :::spoiler 保留字 \ 故名思義，就是編譯器保留下來的單字，儘管符合前兩點的限制，但仍然不能使用。在 C++ 當中有許多保留字，可以參考 [這裡](https://en.cppreference.com/w/cpp/keyword)。每一個保留字都是有其意義的，像是 int 就是為了表示一種變數型態、 for 就是為了表示迴圈等等，不需要刻意背下來有哪些保留字，只要多多練習程式就會自然記下大部分的保留字 ! ::: 合法的變數名稱 : StepMotor_1, ArmServo ... 不合法的變數名稱 : 1_StepMotor, bool, while ... 另外，雖然命名的規則很自由，但普遍會根據變數的功能來命名，讓變數名稱一看就知道是做什麼用的，如此便可以提升程式的可讀性。 :::danger :::spoiler 補充說明 : 容易被忘記的分號 :angry: \ C / C++ 有一個比較惱人的語法，就是要在每一個敘述句後面加上分號，代表語句結束。這是因為 C / C++ 不像是 Python 有嚴格的縮排規定。剛開始寫程式的時候常常會忘記，要小心 ~ 另外，希望大家養成好習慣，寫出乾淨整齊的程式碼，這部分可以多多參考程式專家是如何排版的。若是不喜歡把程式碼排版整齊，可以考慮報名以下比賽。 :see_no_evil: [International Obfuscated C Code Contest](https://en.wikipedia.org/wiki/International_Obfuscated_C_Code_Contest) ::: :::success :::spoiler 註解 \ 註解使指一段被特定符號括起來的文字，其不會被編譯器編譯，所以並不會影響程式碼的執行。寫註解是為了幫助自己與別人可以更容易看懂程式碼，就像是寫筆記般。一個優秀的 programmer 會適時地加上註解，希望大家養成好習慣。 ```= // -> 這個是單行註解，顧名思義，只有當前這一行不會被編譯。 /* */ -> 這個是多行註解，顧名思義，只要在兩個符號之間就可以橫跨很多行。 ``` ::: :::success ==陣列（Array）== \ 當資料越來越多的時候，使用陣列來儲存就是一個不錯的方法。傳統的陣列就像是把數個變數綁在一起，有著連續的特性，其在記憶體當中的位置是緊鄰的，如此一來在存取相關的資料時，就可以大幅度地降低時間成本。例如一個 int 陣列會長得像這樣： ```cpp= // 陣列的起始為0，所以arr[0] = 1，arr[4] = 5，沒有arr[5] int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5}; ``` 另外，由於字元組成的陣列實在太常用到了，人們便給了他一個名詞：字串(String)，例如 "hello" 就是由5個字元所組成的字串。並且為了讓電腦知道字串到哪裡結束，==在每個字串後面都會加一個結束字元'\0'==。例如： ```cpp= char str[6] = "hello"; ``` 裡面的6個字元分別為：'h', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0' ::: --- ## 基本運算符號與表達式 (Operators and Expressions) 常見的運算符號有 *加、減、乘、除* 等等基本數學運算，另外也有邏輯的運算符號，像是 *且、或、大於、小於、等於、不等於* 等等的運算。而表達式就是由一連串的基本運算符號組成，像是 2 * 3 + 4 就是一個表達式，而表達式是從左至右來計算結果的，就像是我們計算等式的方法。以下簡單舉例一下 : ```cpp= int num = 0; num = 5 + 2; // 7 num = num * 2; // 14 (若是左右都有同樣的變數，可以縮寫成 num *= 2; ) num++; // 15 (兩個加號放在一起代表加一，兩個減號就表示減一。放在變數的前後有意義上的差別。) num = num % 2; // 1 ( % 是指取餘數，所以 15 / 2 = 7 ... 1 ) ``` :::success :::spoiler 介紹 : 常見的運算子 \ C / C++ 有許多種運算子，對於控制 Arduino 來說只需要常見的幾個就夠了。有興趣的可以到 [這裡](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/expressions) 看詳細的定義。 | 運算子 | 功能 | |:------:|:---------------------------:| | + | 相加 | | - | 相減 | | * | 相乘 | | / | 相除 | | % | 取餘數 | | += | A += B 等同於 A = A + B | | -= | A -= B 等同於 A = A - B | | ${*=}$ | A ${*=}$ B 等同於 A = A * B | | /= | A /= B 等同於 A = A / B | | %= | A %= B 等同於 A = A % B | | ++ | 加一的意思 | | - - | 減一的意思 | | > | 大於 | | < | 小於 | | >= | 大於或等於 | | <= | 小於或等於 | 在邏輯上面來說 : - ! : 否定 - == : 等於 - != : 不等於 - || : 或 (or) - && : 且 (and) :::warning :::spoiler 補充說明 : ++ 與 - - \ 這個運算子比較特殊，因為往後會常常遇到，需要特別注意一下。若是把這個運算子放在變數的前面，代表程式會先把這個變數做加一或減一的動作，再繼續執行。相反的，若是放到變數的後面，就會先執行這一行程式碼，再做加一或減一的動作。簡單舉例一下 : ```cpp= int A = 0, B = 0, C = 1; A = ++C * 5; // 程式會先把 C 加一，再做剩下乘法的部分，也就是說到最後 A 會是 10，而 C 會是 2 B = C-- / 2; // 程式會先做除法，並儲存進 B 後再做減法，也就是說到最後 B 會是 1，而 C 也會是 1 ``` ::: --- ## 判斷式（Decision） 判斷式主要用於決策，當我們希望程式依照不同情境做出不同動作時，就可以使用判斷式來處理。 ```cpp= // 語法 : if ( 判斷式 1 ) { // 程式片段 1 } else if ( 判斷式 2 ) { // 程式片段 2 } else if ( 判斷式 ... ) { // 程式片段 ... } else { // 程式片段最後 } ``` 若是（判斷式 1）邏輯上是對的，就會執行（程式片段 1），同理應用在剩下的判斷式。如果所有判斷式邏輯上都是錯的，就會執行最後一個程式片段。舉例 : ```cpp= int num; if (num % 2 == 0) { // num 是偶數的話執行這裡 } else if (num % 2 == 1) { // num 是奇數的話執行這裡 } else { // num 不是前者的任意一個的話執行這裡 } ``` ## 陳述式 (Expression) ```cpp= // 語法 : switch(整數陳述式){ case 整數陳述式1: // 程式片段 1 break; case 整數陳述式2: // 程式片段 2 break; case 整數陳述式...: // 程式片段 ... break; default: // 程式片段 ... } ``` 若(case後的整數陳述式1)符合switch()中的陳述式，就會執行該case後的(程式片段 1)，default則是默認執行(非必要)。switch會依序判斷每個case，當執行到break時跳出整個switch函式。舉例 : ```cpp= int num = 1; switch(num){ // num == 1 的話執行這裡 case 1: num = 2; // num == 2 的話執行這裡 case 2: num = 3; // num == 3 的話執行這裡 case 3: num = 4; } // 最後num = 4 ``` 此時加入break的話...... ```cpp= int num = 1; switch(num){ // num == 1 的話執行這裡 case 1: num = 2; break; // num == 2 的話執行這裡 case 2: num = 3; break; // num == 3 的話執行這裡 case 3: num = 4; break; } // 最後num = 2，因為在執行第一個case碰到break跳出來了 ``` :::success :::spoiler 程式區段 \ 程式區段就是一段利用左右大括號括起來程式碼，而一個程式區段是可以包含另一個程式區段。簡單舉例一下 : ```cpp= if (a == 1) { a = 2; } else if (a > 5) { if (a < 10) { a = 0; } } ``` 在上述的程式碼當中， 1~3 行是一個程式區段，4~8 行是一個程式區段，而 5~7 行也是一個程式區段。 ::: :::success 介紹 : 區域變數與全域變數 ## 區域變數（Local Variable）每一個變數都有其有效範圍，宣告在某個程式區段內的變數，其有效範圍就只在該程式區段內，==離開這個有效範圍，像是在別的程式區段內，就不能夠使用這個變數了==。這種僅存在程式區段內的變數，就稱為區域變數。 ## 全域變數（Global Variable）不同於區域變數，如果把變數宣告在所有程式區段外，就可以在所有程式區段內共用這個變數，這種變數就稱為全域變數，一旦程式配置了一個全域變數的記憶體空間，這個記憶體空間在程式執行的過程中，不論任何時間、任何位置都將是有效的，不像是區域變數只在特定的程式區域內才有效。簡單舉例一下 : ```cpp= int A = 0; void setup() { int B = 0; if (B > 5) { int C = 0; } } void loop() { int D; } ``` 在上述的程式碼當中，只有 A 變數為全域變數，其餘都是區域變數。當宣告了相同名稱的全域變數和區域變數時，在函式中會優先使用它裡面的區域變數，==不會影響同名稱的全域變數==。 ::: --- ## 迴圈（Loop）迴圈可以重複執行片段的程式，減少程式碼的重複性，同時它也可以展現出更高維度的動作，像是多重迴圈，如同字面上的意思，就是迴圈裡面又有好幾個迴圈。通常迴圈是程式新手最頭痛的地方，但是只要多加練習，一定就可以體會出它的奧妙了。 C/C++ 最常見實現迴圈的方法有兩種，for-loop 以及 while-loop : ### ==for-loop== ```cpp= // 語法 : for ( 初始化 ; 判斷式 ; 運算式 ) { // 重複執行的程式片段 } ``` for 迴圈可以填入三種表達式，可以三種都填入，也可以選擇性填入。 - 初始化主要用來宣告迴圈用來迭代的變數。 - 判斷式主要用來確認是否結束迭代。 - 運算式主要用來調整每次迭代後的變數。 ```cpp= // 假定我們的目標是從 1 累加到 5 int num = 0; // 不使用迴圈 : num += 1; num += 2; num += 3; num += 4; num += 5; // 使用迴圈 : // (初始化) i 從 1 開始 // (判斷式) i 大於 5 就結束迴圈 // (運算式) 每次迭代結束後 i 加 1 for (int i = 1; i <= 5; i++) { num += i; } ``` ### ==while-loop== ```cpp= // 語法 : while ( 判斷式 ) { // 重複執行的程式片段 } ``` while 迴圈只使用一個判斷式來決定是否結束迴圈，只要判斷式成立，迴圈就會不停地跑下去。上面的例子這次改用 while 迴圈來達成 ```cpp= int num = 0; int i = 1; while (i <= 5) { num += i; i++; } ``` 上述的目標可以不使用迴圈就達到，但當程式的功能越來越複雜時，使用迴圈可以有效地提升可讀性，也可以省下寫類似程式片段的時間。所以請各位務必善用迴圈，不要暴力寫程式碼，否則編譯器會生氣喔 ! :face_with_head_bandage: :::success :::spoiler 補充說明：使用 for 還是 while? 該選哪一個？從 for 迴圈的設計可以看出來，它適合從一個數值數到另一個數值，而 while 迴圈做起這件事則比較費工夫。因此**通常**我們會說 for 在固定次數時使用，while則在不固定次數時使用。但實際上沒有一定標準，還是要依當時狀況做調整喔! ::: :::success :::spoiler 補充說明 : break 和 continue ## break 在一些特別的情況之下，我們會希望程式不要跑完全部的迴圈，在這個時候我們就可以利用 break 來強制程式跳出迴圈。簡單舉例一下 : ```cpp= int count = 0; // 初始化 count 為 0 // i 從 1 開始，每次加一，結束條件沒有宣告 for (int i = 1 ; ; i++) { if (i > 5) { // 如果 i 大於 5 就結束迴圈 break; } count += i; } ``` 上面這段程式碼可以從 1 開始累加到 5 為止，也就是說 count 最後會等於 15。 ## continue 類似於 break 的想法，同樣用在迴圈內部。使用 continue 會讓程式直接忽略掉剩下的程式碼，直接進入下一次的迭代。簡單舉例一下 : ```cpp= int count = 0; // 初始化 count 為 0 // i 從 1 開始，每次加一，加到 10 就停止迴圈 for (int i = 1; i <= 10; i++) { if (i % 2 == 0) { // 如果 i 除以 2 餘零，就跳過剩下的程式碼，直接進入下次迭代 continue; } count += i; } ``` 上面這段程式碼可以計算出從 1 開始，到 10 為止的奇數總和，也就是說 count 最後會等於 25。 ::: ## 函式（Function） 若要打個比方，函式就像是一本書，不論使用對象是誰，當有片段程式需要重複使用時，就可以直接翻開書本使用裡面的文章，而不需要再次從頭寫下一樣的內容，對於大型程式開發有著顯著的地位。 ```cpp= // 語法 : 回傳資料型態函式名稱( 傳入的參數 ) { // 程式片段 ... // ........... // ... 程式片段 return 資料; } ``` 同樣的，我們簡單舉例一下 : ```cpp= // 目標 : 寫一個判斷是否為偶數的函式 // 回傳值是一個布林值，傳入的參數是一個整數。 bool isEven(int num) { if (num % 2 == 0) { return true; } else { return false; } } ``` ```cpp= // 我們要使用的時候直接呼叫函式名稱就可以 bool answer = isEven(10); ``` > 迴圈與函式都可以用來重複執行部分片段的程式碼，至於兩者有什麼差別，可以自己上網找 "遞迴" 的相關概念，因為其較為複雜，考慮到這是給程式新手的教學文件，就不在這裡解釋。 :::success :::spoiler void \ 當不想要函式回傳任何資料時以void作為回傳資料型態，因此也不需要return。若也不須傳入參數的話，括號中不須填入任何參數。 ```cpp= // 目標 : 將全域變數 a, b, c, d 都乘特定的值 int a = 1, b = 2, c = 3, d = 4; void mult() { a *= 4; b *= 3; c *= 2; d *= 1; } ``` ```cpp= // 使用的時候直接呼叫函式名稱 mult(); ``` ::: :::info :::spoiler 好習慣 \ 撰寫程式時可以適當的使用空格使程式更方便閱讀。 ```cpp= // 例如 int a = 0, b = 3, c = 7; a = b * c; ``` ```cpp= // 而非 int a=0,b=3,c=7; a=b*c; ``` 由於C語言沒有嚴格的縮排限制，所以可以把程式碼塞在同一行，但同樣為了程式的可讀性，可適當的在程式間加入空行及縮排。 ```cpp= // 例如 int a = 0, b = 3, c = 7; float d, e = 2.3; a = b * c; d = e; ``` ```cpp= // 可進一步將宣告變數和運算區隔 int a = 0, b = 3, c = 7; float d, e = 2.3; a = b * c; d = e; ``` ```cpp= // 錯誤示範 int a=0,b=3,c=7;float d,e=2.3;a=b*c;d=e; ``` ::: :::success :::spoiler 補充資料 : 函式庫 ( Library ) \ 若是把函式比喻成書本，那麼函式庫就會是一間超大的圖書館，在這裡可以找到許多已經完成的函式，只需要在自己的程式碼當中引入需要的函式庫，就可以快速地達成目標，將寶貴的時間省下來，這就是在程式領域裡常常提到的 : > Don't reinvent the wheel. :+1: 附上 C/C++ 的參考網址，裡面涵蓋了所有標準函式庫的介紹，以後有看到不懂的函式就可以到網站中尋找解釋。 [C++ Reference](https://cplusplus.com/reference/) ::: --- # 結語 在結束之前，來複習一下前面的概念吧 ```cpp= int main() { // 程式主要跑的地方，他也是一個函式 int x = 0, y = 0; // 宣告 int 變數 x++; x *= 5; // 進行各種運算 if (x > 3) { // if-else 判斷式 // for 迴圈，讓 y 加上 x 重複 5 次 for (int i = 1; i <= 5; i++) { y += x; } } else { // while 迴圈，只要 y 還小於 10，就會一直加上 x while (y < 10) { y += x; } } return 0; // 程式結束，回傳值為0 } ``` 看完上面的程式簡介，相信大家對於程式都有了一些基本的認識，若一時沒辦法消化也不用擔心，程式的概念本身就需要相當多的時間與練習，網路上也有各種教學文章與練習網站，希望大家可以抱持著好奇的心繼續專研程式。 :slightly_smiling_face: 若是對 C/C++ 比較熟悉了，想要玩玩看 Arduino，但手邊沒有器材的話，可以到以下的網站練習看看，我們以後也會使用這個線上模擬環境來帶領大家使用 Arduino。 [Tinkercad](https://www.tinkercad.com/)