魔法书1：利用底层代码释放Arduino空间

我是潘，曾经是个工程师。这是为 Ardui.Co 制作的 “Arduino 魔法书” 系列的专栏。从现在开始，我将尝试通过各种方式，去挖掘Arduino的潜能极限。本篇将探讨如何利用底层代码，让程序变得更小、让 Arduino 变得更高效，进而让产品更可靠。“魔法书”不是教程，而是实验性的栏目，仅供参考。

任何机器只能认1和0，二进制是最基础的机器语言，但从人类的角度来看，几乎不可能用二进制代码来编程，效率太低。所以需要更通俗易懂的“高级”语言，C语言就是其中一种，而Arduino的编程语言就是通过 C语言 的简化、演变过来。

当编写好程序后，编译器（内置在Arduino IDE中）就可以把高级语言，翻译成机器能懂的二进制代码。但这个过程存在一个弊端，编译器总是无法翻译出最优的代码，要么体积臃肿，要么各种资源浪费。如果我们希望程序变得更高效，就必须往底层深入。

但别误会，我们不会直接写二进制代码。其实，C语言已非常接近底层，只要通过 Arduino 兼容C语言的特性，即可让程序得到不错的优化，让Arduino 的资源有效利用，大幅提升执行效率。

Arduino UNO 的 ROM 空间只有 32K 极为有限，如果你编写程序时，发现空间不够，别急着买更高级的板子，而是先看看你的代码，是否还有压缩和改进的空间。现在我们尝试一下，将最简单的示例程序 Blink （LED闪烁）优化，看看能压缩多少空间出来。

编译后，Arduino IDE 会给出二进制代码的大小，因此我们可以清晰看到改进的空间：

示例Blink 程序编译后，二进制代码的大小是928字节，占用了Arduino UNO 总空间的2%。

压缩这个程序前，先看看它是怎样运作的：

1、配置数字引脚 D13 为输出；

2、改变这个输出引脚的状态，LED亮或灭；

3、暂停一下让人感知亮/灭时间，然后回到第2步。

这个程序为了初学者明白易懂，所以没有做任何优化，每一步都清晰简单：点亮LED，停留一段时间，关闭LED，停留一段时间，再重复。不过，点亮和关闭也可以用一个抽象概念来代替——翻转LED的状态。明白这点后，这程序起码可以压缩一半。

必须 pinMode() 吗？

我们先拿pinMode()函数来开刀，如果把它注释掉，程序从928字节，减少到864字节，也就是说pinMode() 占用了64字节的空间。

但没有pinMode() 引脚就会一直处于输入状态。此时，引脚抗阻极高，即使其电平可以被控制，但也无法驱动LED。用什么底层代码来实现 pinMode() 的效果呢？首先，我们先得了解pinMode() 的工作原理。

Arduino 基于 Atmel AVR 单片机简化而来。不同的 AVR 单片机具有不同数量的端口，每个端口有一定数量的引脚。同时，每个端口也关联着一个数据方向寄存器（data direction register，即DDRx）。

DDRx 决定了端口上不同引脚的输入输出状态。例如，端口 A 有 6 个引脚，给寄存器赋值 000001 的话，前面4个引脚，都是输入状态，最后一个引脚则为输出状态。pinMode() 简化将指定端口、寄存器赋值两个过程完全省略了。我们只要告诉它，某个引脚的状态，它就会设定设定好。

现在用 bitSet(DDRB, 5) 来代替它。LED的引脚D13 对应 AVR 的是端口B，第5个引脚，因此，我们设置端口B的寄存器 DDRB的第5位为1，即可以设置D13为输出状态。

此时D13为输出状态了，但程序空间只增加了2字节。不过，bitSet() 为何那么神奇呢？因为他不是一个函数，而只是一个宏定义。他被包含在编译器的 wiring.h 头文件中，它的定义和Arduino 的代码一起被打包。

这个函数需要两个参数：值（value）和位（bit）。bitSet(DDRB, 5)，在Arduino 编译时，会直接替换成C语言： DDRB |= 1<<5，其含义是,将DDRB的第5位置位（赋值1）。“I=” 是一个复合赋值运算符，表示按“位”运算，“<<”是左移运算符，这里用了5表示要操作DDRB寄存器的第5位，即对应I/O端口B的第5个引脚：PB5（关于端口对应的的列表，可以参考 官方MAP ）。另外，也可以用二进制0b00100000、八进制040、十进制32、16进制0x20数值来赋值，不过可读性就差很多。

简单的语句替换，就把笨重的pinMode()占用的空间节省出来了。 不过，前提是你很熟悉 Arduino 的端口、引脚和C语言的表达。

digitalWrite() 太费力

digitalWrite()虽然很方便，但是代价却相当大，如果把它注释掉，足足释放了226个字节的空间：

Blink 程序的原理是点亮LED，停留一段时间，再熄灭，停留一段时间，再点亮。这个亮-灭交替的过程可以看作是输出引脚在翻转。

对于 ATmage168 或者以上型号的芯片，AVR的翻转方式很简单，只要向输入寄存器的地址写入一个１即可，但对于老的型号ATmega8/16/32则无效。

如果将digitalWrite()函数都换成bitSet(PINB,5)；那么空间可以大幅缩少至：644个字节，只用了4个字节就完成 digitalWrite() 的功能。

程序足够精简了吗？不，loop() 本身就是一个循环，每次循环 LED 都可以翻转，即亮灭替换，因此loop() 中可以进一步精简，去掉一个 bitSet(PINB, 5)和delay(1000)，效果完全是一样的，但节约了44字节。

delay() 纯粹为了浪费时间，但是非常浪费系统空间，注释掉之后系统减少了152个字节，堪比digitalWrite()。

最有有效浪费时间的方法，就是利用内部定时器。这里引入time0（Arduino 三个定时器之一），定时会不断递增一个变量timer0_millis ，即“毫秒递增变量”，我们要引用这个变量就需要在setup() 和 loop()之外，加入 extern volatile unsigned long timer0_millis; 来声明这个变量。现在引入一个while()循环来替代delay():

while(timer0_millis < 1000); // 如果 timer0_millis每一毫秒加1，如果不到1000，就一直执行循环；

timer0_millis = 0; // 将 timer0_millis 复位置0，下一个loop() 时重新计数；

这个计数方法使得millis()、delay() 函数完全失效了，因为这些函数都是基于timer0来实现的。

经这一番压缩，最后Blink 从 928字节压缩到490字节，差不多只有原来一半大小，现在你还急着购买空间更大、价格更贵的芯片吗？