Arduino Czym jest algorytm? Podstawy dla przyszłych programistów Arduino

[mcsw_02]

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Każdy to robi, natomiast prawie nikt nie zwraca na to uwagi. Nawet czytając ten tekst, organizm czytelnika wykonuje ściśle określoną listę kroków, która pozwala mu na zrozumienie czytanego tekstu.

Algorytm to uporządkowany zbiór zadań, które wykonuje się w celu rozwiązania problemu. Czytając poniższy tekst zrozumiesz, że algorytmy są związane z praktycznie wszystkim co robisz na co dzień. Wprowadzę Cię do zapisu algorytmów. W artykule przedstawiono również 2 proste algorytmy zapisane w formie programu dla Arduino.

Algorytmy w codziennym życiu.

Załóżmy, że chcielibyśmy upiec ciasto, tak jak robiła to nasza babcia, która kierowała się konkretnym przepisem. Zaglądamy do jej zeszytu i czytamy, że potrzebujemy jajka, mąkę, masło i inne składniki. Pierwszym krokiem jest pokrojenie masła. Drugi to dodanie mąki, proszku do pieczenia, cukru i masła do miski. Po kolejnych 10 krokach wyciągamy pyszne ciasto z piekarnika i po ostygnięciu delektujemy się nim. Postępujemy tutaj według jasno określonej listy zadań, którą wymyśliła nasza babcia i dzięki której możemy osiągnąć pożądany cel.

Po zjedzeniu ciasta wychodzimy na spotkanie z naszym znajomym. Nasz kolega mieszka na 1 piętrze, a winda nie działa, więc kierujemy się na schody. Wchodzimy na pierwszy stopień i weryfikujemy, czy jesteśmy na 1. piętrze. Jeżeli nie, to wchodzimy o 1 stopień wyżej i powtarzamy to, dopóki nie znajdziemy się na docelowym piętrze. W tym przypadku nasze postępowanie jest wyrażone za pomocą powtarzających się czynności, które kończymy, gdy założony przez nas warunek się spełni.

Oczywiście w takich sytuacjach postępujemy automatycznie, ale warto było o tym wspomnieć, bo są to życiowe przykłady algorytmów - przepisów, które prowadzą do rozwiązania problemu, np. upieczenia ciasta, lub wejścia na 1. piętro. Mówimy o algorytmie, gdy jest on:

• poprawny - działa,
• jednoznaczny - daje ten sam wynik przy takich samych danych,
• skończony - nie działa w nieskończoność,
• efektywny - wykonuje się w sensownym czasie.

Trzeba pamiętać, że algorytm ≠ program. Jeżeli algorytm jest zapisany językiem programowania, to wtedy możemy mówić o programie.

Zapis algorytmów i przykłady

Pamiętaj, że bardzo złym pomysłem jest zapisywanie algorytmów jako jakąś opowieść, bo może to zaburzać interpretację ich działania. Dobrym zwyczajem jest zapisywanie ich technikami, które zostały przedstawione poniżej.

Lista kroków

Najprostszą i najbardziej naturalną techniką jest zapis algorytmu w postaci ponumerowanych punktów, w których wypisujemy po kolei, co robimy. Zależnie od sytuacji, kroki można pomijać lub do nich wracać.

Uproszczony algorytm wykonania ciasta.

Autor nie ponosi odpowiedzialności za korzystanie z tego przepisu!

1. pokrój 100 g zimnego masła na małe kosteczki
2. dodaj do miski: 200 g szklanki mąki, pokrojone masło, 13 g proszku do pieczenia, 26 g cukru i rozbite jajko bez skorupki
3. zmieszaj porządnie zawartość miski
4. ciasto włóż do lodówki
5. po 15 minutach wyciągnij ciasto
6. piekarnik nagrzej do 180 stopni Celsjusza
7. wypełnij formę ciastem i dodaj owoce
8. włóż do piekarnika blachę z ciastem na 50 minut
9. sprawdź czy gotowe. Jeżeli tak to przejdź do kroku 12. W przeciwnym razie przejdź do kroku 10
10. poczekaj minutę
11. przejdź do kroku 9
12. wyjmij ciasto i daj mu ostygnąć
13. zakończ algorytm

Powyższy algorytm jest uproszczeniem. Bezmyślne kierowanie się nim może skutkować tym. Jesteśmy ludźmi i raczej każdy rozumie zwrot dodaj cukier.

Algorytm wchodzenia po schodach:

1. sprawdź czy wszedłeś na docelowe piętro. Jeżeli tak, to przejdź do kroku 4. W przeciwnym razie przejdź do następnego kroku
2. wejdź o jeden stopień do góry
3. przejdź do kroku 1
4. zakończ algorytm

W powyższych algorytmach pojawiają się instrukcje warunkowe (jeżeli) i pętle (jeżeli… przejdź do kroku poprzedniego) - jedne z najważniejszych zagadnień programowania.

Instrukcją warunkową nazywamy fragment programu, który praktycznie odpowiada na pytanie w formie: tak/nie, prawda/fałsz, 1/0. Na podstawie odpowiedzi może wykonywać jakąś czynność.

Pętla to fragment kodu, który powtarza się, jeżeli warunek przypisany do tej pętli jest spełniony.

W kolejnych przykładach będę posługiwał się tylko algorytmem wchodzenia po schodach, bo jest on krótki i wystarczy do wyjaśnienia innych technik zapisywania algorytmów.

 

Pseudokod

Jak sama nazwa wskazuje, jest to symbolicznie zapisany kod, który w dużej mierze zachowuje zasady języków programowania. W tym artykule wykorzystamy zasady, które opisano w tym dokumencie. Należy pamiętać, że nie istnieje oficjalny standard dla pseudokodu i to jest tylko szkolny przykład.

• Operacje matematyczne
  • dodawanie – +
  • odejmowanie – -
  • mnożenie – •
  • dzielenie – /
  • dzielenie całkowite – div
  • reszta z dzielenia – mod
• Przypisanie wartości do zmiennej
  • a ← 3
• Instrukcja warunkowa

  jeżeli a = 3 wykonuj
      a ← 0
  w przeciwnym razie
      a ← 1

• Operatory porównania
  • większe - >
  • większe równe - ≥
  • mniejsze - <
  • mniejsze równe - ≤
  • równe - =
  • nierówne - ≠
• Operatory logiczne
  • AND - i
  • OR - lub
• Pętle

dopóki a < 10 wykonuj
    a ← a + 1

lub

dla i = 1, 2, 3, … 10 wykonuj
    a ← a + 1

lub

wykonuj
    a ← a + 1
dopóki a < 10

Przedstawmy teraz algorytm wchodzenia po schodach w postaci pseudokodu. Musimy założyć pewne uproszczenia i dodatki:

• z góry wiemy ile dane schody mają stopni
• wejście na stopień traktujemy jako dodanie 1 do zmiennej wskazującej aktualny stopień 
• gdy będziemy na środkowym stopniu to powiemy “połowa za mną…”
• po wejściu na piętro jesteśmy bardzo szczęśliwi, że nasz algorytm działa, więc mówimy “jestem na piętrze!”

wprowadź liczbaStopni
      aktualnyStopien ← 0             
      dopóki aktualnyStopien < liczbaStopni wykonuj
            aktualnyStopien ← aktualnyStopien + 1
            jeżeli aktualnyStopien = liczbaStopni div 2
                  wypisz “Połowa za mną…”                             
      wypisz “Jestem na piętrze!”

Zapisując algorytm w pseudokodzie, pamiętaj, żeby stosować wcięcia do operacji, które dotyczą użytej wcześniej instrukcji, takiej jak instrukcja warunkowa. Zapewni to czytelność i poprawne działanie kodu, ponieważ pseudokod bazuje na wcięciach. Pseudokod zapewnia szybki zapis algorytmu i możliwość łatwego przekonwertowania go na język programowania.

 

Schemat blokowy

W tej technice używamy bloków o konkretnym kształcie, aby wskazać różne instrukcje algorytmu.

Podstawowe kształty:

• owal - miejsce rozpoczęcia/zakończenia algorytmu
• prostokąt - operacje na zmiennych
• romb - instrukcja warunkowa
• równoległobok - wprowadzenie/wypisanie danych

I tak jak poprzednio, algorytm wchodzenia po schodach:

Dla czytelności polecam wejść w pełny obraz.

Schemat blokowy czyta się od punktu START i podąża się zgodnie ze strzałkami, wykonując wszystkie operacje zawarte w mijanych blokach. Spróbuj przeanalizować powyższy algorytm! Dzięki schematowi blokowemu będziesz mógł przedstawić swoje algorytmiczne pomysły w czytelny i klarowny sposób. Należy pamiętać, że schemat blokowy dobrze sprawdza się w algorytmach mniejszych rozmiarów. Spróbuj sobie wyobrazić, co by było, gdyby na schemacie znajdowało się 100 różnych bloków i byłoby między nimi dużo połączeń…

 

Język programowania

Wcześniejsze techniki zapisu algorytmów są stosowane do ich przedstawienia w sposób symboliczny. Komputer to maszyna i potrzebuje konkretnych instrukcji, dlatego stosuje się języki programowania, które są jednoznaczne i precyzyjne. Mówiąc chcę dodać dwie liczby trzeba jeszcze sprecyzować, jakie mają wartości, jakiego są typu, gdzie będzie przechowywany wynik itp.

Każdy język charakteryzuje się składnią i semantyką, czyli sposobem, w jaki programy napisane w danym języku są konstruowane i interpretowane przez komputer. Składnia odnosi się do struktury i zapisu gramatycznego kodu, czyli do tego, jakie konstrukcje i polecenia są akceptowane w danym języku. Z kolei semantyka odnosi się do znaczenia tych konstrukcji oraz sposobu, w jaki są one rozumiane i wykonane przez interpreter lub kompilator.

Poniżej znajduje się zapis algorytmu wchodzenia po schodach w języku C.

#include <stdio.h>
int main()
{
	int iloscStopni = 10;
	int aktualnyStopien = 0;

	while (aktualnyStopien < iloscStopni) {
		aktualnyStopien = aktualnyStopien + 1;
		if (aktualnyStopien == iloscStopni / 2) {
			printf("Polowa za mna!\n");
		}
	}
	printf("Jestem na pietrze!\n");
  
	return 0;
}

Tutaj warto zaznaczyć jak korzysta się z funkcji. Nazwę możesz kojarzyć z matematyki, gdzie występuje funkcja f(x). Dokładnie w ten sam sposób działają funkcje w programowaniu. Wywołując ją podajesz jej nazwę i w nawiasach argumenty, które zostaną wykorzystane do pewnych operacji. Funkcja może zwracać pewną wartość lub nie. Np. funkcja printf() nic nie zwraca, ale wypisuje napis w konsoli. Jeżeli zwraca to musimy podać zmienną przechowującą wartość wyniku.

Na początku programu musimy pobrać bibliotekę, w której znajdują się funkcje, których będziemy używali w programie. Za to odpowiada pierwsza linijka - #include <stdio.h>.

W C operacje pisze się między nawiasami klamrowymi, które oznaczają początek i koniec danej instrukcji. W tym przypadku cały program jest zapisany w funkcji głównej main(), która zawsze się wykonuje przy uruchomieniu programu. Na końcu każdej operacji musi wystąpić średnik!

Żeby nie komplikować kodu pobraniem wartości założyłem, że wiemy od samego początku, ile jest stopni na schodach, dlatego równocześnie z deklaracją, że będzie to zmienna stałoprzecinkowa int, przypisujemy jej wartość 10: int iloscStopni = 10;.

while() to pętla odpowiadająca pętli dopóki w pseudokodzie. W nawiasach wpisujemy warunek wykonania się kolejnego kroku pętli.

Funkcja printf() wyświetla napis zawarty w nawiasach, w cudzysłowie.

Porównaj kod zapisany pseudokodem z tym w C. Jestem pewny, że dostrzeżesz podobieństwa.

      

Algorytmika w Arduino

Należy pamiętać, że programy, które piszemy na Arduino, działają w nieskończonej pętli. Procesory, mikrokontrolery i inne sterowniki są projektowane tak, aby mogły działać cały czas. Z tego powodu programy w Arduino wykonują się w dwóch funkcjach - setup() i loop(). Dodatkowo warto zaznaczyć, że język wykorzystywany w Arduino IDE jest praktycznie językiem programowania C++.

setup() wykonuje się tylko i wyłącznie raz przy starcie całego programu. Używamy tej funkcji, żeby rozpocząć pewne procesy lub ustawić wejścia i wyjścia na odpowiednie tryby. Stąd jej nazwa, która przetłumaczona na j. polski brzmi konfiguracja. Konfigurujemy i przygotowujemy środowisko na późniejsze etapy wykonywania programu.

loop() wykonuje się po zakończeniu funkcji setup i działa w pętli - wykonuje się cały czas. Tutaj umieszczamy operacje związane z np. sterowaniem i przechwytywaniem informacji.

 

Przykładowe algorytmy na Arduino

Blink

Na początku zajmiemy się miganiem diodą LED. Nie musisz nic pisać, aby skorzystać z tego programu! Włącz Arduino IDE -> kliknij zakładkę File -> Examples -> 01.Basics -> Blink. Otworzy się nowe okienko z programem Blink. Zauważysz dużo komentarzy, które są poprzedzone dwoma myślnikami, lub znakami /* i zakończone */. Możesz je usunąć.

Zostanie poniższy kod:

void setup() {
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
  delay(1000);
}

 

pinMode() ustawia wybrany pin na wejście lub wyjście. Przyjmuje dwa argumenty - numer pinu i wybranie trybu. Arduino ma wbudowaną stałą, która wskazuje na pin wbudowanej w płytkę diody, więc to będzie nasz pierwszy argument. Drugim będzie OUTPUT, czyli ustawienie pinu na wyjście. Ta funkcja wykona się tylko raz, bo znajduje się w setup().

W funkcji loop() jako pierwszy krok ustawiamy pin LEDa na stan wysoki (zapali się) funkcją digitalWrite(), podając pin tej diody i argument HIGH oznaczający stan wysoki.

Funkcja delay() powoduje czekanie programu. Wartość w nawiasach to długość czasu w milisekundach.

Potem wyłączamy diodę, czekamy sekundę. Funkcja loop() wykonuje się od nowa.  

Czy jesteś w stanie zapisać algorytm migania diodą w postaci schematu blokowego?

 

Czytanie przycisku

Poniżej znajduje się program do zapalania lampki, gdy wciśnięty jest przycisk na pinie 7. Spróbuj go przeanalizować i pochwal się w komentarzu, jak działa! Dodatkowo w ramach ćwiczenia, polecam zapisać go w postaci pseudokodu.

Kilka podpowiedzi:

• zmienne i stałe można deklarować poza głównymi funkcjami. Można wtedy się do nich odwołać w każdym miejscu w programie
• #define oznacza deklarację stałej, której nie zmienia się przez cały program. Symbolicznie stałe zapisuje się wielkimi literami
• digitalRead() czyta i zwraca stan, który aktualnie jest na pinie funkcja
• else() wykonuje się wtedy, gdy instrukcja warunkowa zwróciła fałsz

#define PIN_LED 8
#define PIN_BUTTON 7

int buttonState = 0;

void setup() {
  pinMode(PIN_LED, OUTPUT);
  pinMode(PIN_BUTTON, INPUT);
}

void loop() {
  buttonState = digitalRead(PIN_BUTTON);
  
  if (buttonState == HIGH) {
    digitalWrite(PIN_LED, HIGH);
  }
  else {
    digitalWrite(PIN_LED, LOW);
  }
}

 

Podsumowanie

Znajomość pojęcia algorytm to kluczowa umiejętność w świecie programowania. Jeśli zaczynasz pisać kod na platformę Arduino, to warto zgłębić tę tematykę. Nie ograniczaj się tylko do zapisu algorytmów - zrozum, jak działają i jak możesz je wykorzystać w praktyce. Gorąco polecam skorzystać z kursu Arduino na Forbocie, abyś mógł szybko przekuć swoją wiedzę na konkretne projekty.

Edytowano Styczeń 16, 2024 przez Marcel_S
Na bazie komentarzy

[Treker (Damian Szymański)]

@Marcel_S witam na forum i dziękuję za artykuł  Tekst (z mojej winy) długo czekał na akceptację, teraz jest już widoczny publiczny, więc podbijam  

[Santiago]

Rozumiem, że długo czekał...

[Treker (Damian Szymański)]

15 godzin temu, Santiago napisał:

Rozumiem, że długo czekał...

Tak, niestety zajęło to ponad 2 tygodnie, bo przy okazji znaleźliśmy drobny "błąd" w edytorze na forum. Temat jest już jednak rozwiązany  

[SOYER]

Bardzo fajny artykuł. @Treker może warto go podlinkować w pierwszych odcinkach kursu arduino?

Jeśli to nie zostanie uznane za off topic to, w ramach inteligentnej zabawy, proszę kolegę @ethanak o maksymalne skrócenie i uproszczenie tego szkicu. Zawsze mnie fascynował sposób patrzenia na kod ziomala z Bielska, rozwiązania zupełnie od nie tej strony co ja widziałem;).

Wydaje się bardzo prosty szkic  tego fajnego artykułu:

int main()
{
	int iloscStopni = 10;
	int aktualnyStopien = 0;

	while (aktualnyStopien < iloscStopni) {
		aktualnyStopien = aktualnyStopien + 1;
		if (aktualnyStopien == iloscStopni / 2) {
			printf("Polowa za mna!\n");
		}
	}
	printf("Jestem na pietrze!\n");
  
	return 0;
}

 

[ethanak]

for (int aktualnyStopien=0; aktualnyStopien < iloscStopni; aktualnyStopien++) {
  // i tak dalej

Tu niespecjalnie jest co upraszczać, ale pętla for pasuje tu bardziej niż while. Poza tym zapomniałeś o efekcie ubocznym (czyli fizycznym przemieszczeniu się na następny stopień) 

dopóki nie_jesteśmy_na_górze {
  przejdz_o_jeden_stopień_w_górę;
  jeśli (jesteśmy_w_połowie_drogi) {
    wypisz_stosowny_komunikat;
  }
}
wypisz_komunikat_kończący;

  

 

 

Edytowano Styczeń 13, 2024 przez ethanak

[SOYER]

I ta druga wersja jest lepsza @ethanak

[Leoneq]

Ciekawostka, 

Cytat

Wcześniejsze techniki zapisu algorytmów są stosowane do ich przedstawienia w sposób symboliczny. 

sposób zapisywania poprzez schematy blokowy jest oficjalny a nawet unormowany: norma ISO 5807 jest gdzieś dostępna w internecie jak ktoś chce poczytać. Dlatego też czasem można takie schematy spotkać m. in. w notach katalogowych.

Edytowano Styczeń 17, 2024 przez Leoneq

[szymarduino]

Ciekawe trzeba sprawdźić przepis

Edytowano Luty 14, 2024 przez szymarduino
Błąd ortograficzny