Arduino e eForth

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Titolo originale:

Arduino and eForth

Contenuto del libro:

Per tutti questi anni ho cercato piattaforme di microcontrollori su cui insegnare alle persone a programmare in linguaggio FORTH. Ho progettato un corso di formazione che ho chiamato Firmware Engineering Workshop. Con una piattaforma ragionevole, cioè una scheda di valutazione per microcontrollori con un sistema operativo FORTH caricato, potevo addestrare un ingegnere di mentalità aperta a programmare in FORTH in circa una settimana. Le piattaforme buone sono costose e quelle a basso costo sono inadeguate. Ho preso una qualsiasi scheda per microcontrollori a portata di mano e l'ho usata. Non ha funzionato bene perché ciò che ho insegnato non poteva essere facilmente replicato da persone a casa. Le persone si sentivano frustrate quando non riuscivano a riprodurre i risultati che avevo dimostrato. Poi ho trovato la scheda Arduino Uno. La scheda di valutazione per microcontrollori di cui ho bisogno deve avere un microcontrollore con capacità ragionevoli. Un microcontrollore a 8 bit con un clock veloce è adeguato. I microcontrollori a 16 o 32 bit sono ovviamente molto meglio. La scheda deve avere almeno 8 KB di memoria ROM e 1 KB di memoria RAM. Deve inoltre disporre di una porta USART per comunicare con un emulatore di terminale su un PC host. Qualsiasi altro dispositivo di I/O sarà la ciliegina sulla torta. Più sono, meglio è. Arduino Uno ha tutti i componenti che ho elencato sopra. È anche poco costoso, costando solo 29 dollari.

Utilizza ATmega328P, un microcontrollore molto interessante che dispone di 32 KB di memoria flash, sufficienti per ospitare un sistema operativo FORTH, 2 KB di RAM e molti dispositivi di I/O per realizzare applicazioni sostanziali. Arduino Uno dispone anche di una porta USB che si collega a un PC e di un dispositivo USART nell'ATmega328P. Questa interfaccia seriale è necessaria per un sistema FORTH, in modo da poter eseguire e programmare ATmega328P in modo interattivo da un emulatore di terminale sul PC, dato che il Forth completo si trova sul chip. Arduino Uno è una macchina deliziosa. Lo si collega al PC tramite un cavo USB e lo si può programmare per fare molte cose interessanti. Il suo microcontrollore ATmega328P, funzionante a 16 MHz, è in grado di eseguire molte applicazioni interessanti. Il modello di uno sketch, che è il software di Arduino 0022, cattura l'essenza della programmazione del firmware nel fondere le applicazioni dell'utente in due istruzioni: setup() e loop(). Elimina tutte le dichiarazioni sintattiche richieste da un normale programma C ed espone solo il nucleo di un'applicazione. Tuttavia, il software Arduino isola l'utente dalla natura intricata del microcontrollore ATmega328P, dal suo set di istruzioni e dai suoi dispositivi di I/O. Al contrario, l'utente riceve una libreria di strumenti di programmazione e di controllo che lo rendono un'applicazione di base. Al contrario, viene fornita una libreria di routine utili per la creazione di applicazioni. L'isolamento aiuta inizialmente a programmare il microcontrollore in un linguaggio di programmazione di alto livello simile al C.

Tuttavia, essendo un microcontrollore a 8 bit, ATmega328P in linguaggio C si esaurisce quando le applicazioni richiedono prestazioni. A questo punto, per spingere ATmega328P al suo limite, dovrete scendere fino al metallo nudo. Quindi, dovrete imparare il suo set di istruzioni e tutti i suoi dispositivi di I/O, e forse programmarlo in linguaggio assembly. L'approccio alternativo migliore è quello di programmare ATmega328P nel linguaggio FORTH. FORTH espone ATmega328P all'utente. È possibile esaminare in modo interattivo la memoria RAM, la memoria flash e tutti i dispositivi di I/O che circondano la CPU. È possibile aggiungere piccoli pezzi di codice in modo incrementale e testarli in modo esaustivo. Un ambiente di programmazione e debug interattivo accelera notevolmente lo sviluppo del programma e ne garantisce la qualità. Dal 1990, ho promosso un semplice modello di linguaggio FORTH chiamato eForth. Questo modello consiste in un kernel di 30 comandi FORTH primitivi che devono essere implementati nelle istruzioni macchina di un microcontrollore host, e in 190 comandi FORTH composti costruiti a partire dai comandi primitivi e da altri comandi composti. Isolando i comandi dipendenti dalla macchina da quelli indipendenti dalla macchina, il modello eForth può essere facilmente portato su molti microcontrollori diversi. Questo modello è stato portato su ATmega328P e il risultato è il sistema 328eForth.