万事开头难，这一节我们将写一个最简单的程序，让它在Arduino UNO（或者MEGA）开发板上运行起来。

为此，我们需要准备，

  1. Arduino UNO(或者MEGA）开发板；
  2. 一台开发用的电脑，Window、Linux、MacOS操作系统都可以；
  3. 一根连接Arduino MEGA开发板和电脑的USB数据线；

注意，这根USB连接线的一端是方头的，它将和Arduino开发板提供的USB接口相连。这种方头的USB数据线接口叫做USB type-B，常用在打印机的接口上；而我们最常使用的那种USB数据线接口叫做USB type-A。

第2节 Hello World - 图1

2.1 搭建开发环境

在官网下载相应操作系统的Arduino集成开发环境（简称Arduino IDE）。有了这个IDE工具，就能方便的编辑、编译代码，并把编译的结果通过USB连接线，部署到Arduino开发板上。

第2节 Hello World - 图2

IDE下载完成后，就像任何普通程序一样，直接安装就行了。

双击Arduino的图标，IDE程序就运行起来了，

第2节 Hello World - 图3

2.2 新建工程

启动Arduino IDE，点击菜单栏的文件->新建（或者使用快捷键Ctrl+N），生成新的工程文件，

第2节 Hello World - 图4

点击菜单栏的文件->保存（或者使用快捷键Ctrl+S），保存生成的工程文件。

文件名填写HelloWorld。保存后，Arduino IDE会自动生成一个名称叫HelloWorld的文件夹，并在这个文件夹下生成一个同名的HelloWorld.ino文件。

第2节 Hello World - 图5

.ino文件是Arduino工程的主文件，这里面实际上是C/C++语言编写的代码。

Arduino IDE要求工程项目的主文件必须置于同名文件夹之内。

2.3 Hello World

接下来，我们来实现一个简单的功能：Arduino开发板通过串口，不断的向电脑端输出Hello World；同时，我们通过串口工具，在电脑端看到Arduino开发板的输出信息。

2.3.1 原理介绍

Arduino开发板都会提供一个串口（如果你不知道什么是串口的话，可以把它想象成一条连接着开发板和其他外围设备的管道）供电脑调试Arduino开发板上运行的程序使用。

Arduino程序通过Serial.print()或者Serial.println()这样的函数，就能把数据从开发板写入到串口中，如果电脑端有对应的接收程序，那么就能看到这些传递过来的数据。

第2节 Hello World - 图6

Arduino通过串口和PC（或其他设备）通讯。在Arduino IDE的代码中Serial就是串口的化身，可以直接使用Serial.print()或者Serial.println()这种方法进行数据的传送。

详细内容可以参看官网的描述。

  1. UNO的串口硬件位置如下图，
    第2节 Hello World - 图7
    USB接口和0、1引脚都对应串口－Serial

  2. MEGA的串口硬件位置如下图，
    第2节 Hello World - 图8
    MEGA有多个串口，
    USB接口和0、1引脚对应串口－Serial
    18、19引脚对应串口1－Serial1
    16、17引脚对应串口2－Serial2
    14、15引脚对应串口3－Serial3

2.3.2 代码设计

新生成的HelloWorld.ino文件中，自动生成了setup()和loop()两个函数。

  1. void setup() {
  2.   // put your setup code here, to run once:
  3. }
  5. void loop() {
  6.   // put your main code here, to run repeatedly:
  7. }

开发板的程序启动时，首先会调用setup()，进行初始化工作；
然后会循环的调用loop()函数，让开发板不停的运转起来。它的流程图，大概就是如下这样：

第2节 Hello World - 图9

从这里可以看出，

  1. setup()只执行一次，用来完成初始化的功能；
  2. loop()不断的被循环执行，是实现开发板逻辑控制的地方；

程序的整个逻辑就像下面的C/C++语言代码，

  1. void setup(void);
  2. void loop(void);
  4. int main(void) {
  5.     setup();
  7.     while(1) {
  8.         loop();
  9.     }
  11.     return 0;
  12. }

这里面的main()函数代码去哪了呢？它们被Arduino的开发环境隐藏了起来，只是将setup()和loop()开放给了开发者。

开发者只需要实现这两个函数就行了。这样设计的目的是让程序的结构更清晰。

在本例中，setup()函数里只需要设置串口波特率。波特率指的是数据发送的速度，只有接收方和发送方都在同一个波特率上，才能正确的接收数据。这就好比调频的电台和收音机，两者的频率必须一致才能接收到声音。

  1. void setup() {
  2.   Serial.begin(9600);
  3. }

在loop()中，用串口输出”Hello world!”，每循环一次，就会输出一次这个字符串，

  1. void loop() {
  2.   Serial.println("Hello world!");
  3. }

2.3.3 程序部署

程序写好以后，需要将电脑上编译好的程序，部署到开发板上，让程序运行起来，

  1. 用USB数据线，将开发板和电脑连接起来；现在的新版操作系统（Window， MacOS X等等），不需要安装驱动，就能识别Arduino开发板；

  2. 选择菜单栏的工具->开发板，选择正在使用的开发板Arduino UNO（如果你使用的是MEGA就选择Arduino MEGA or MEGA 2560）;
    第2节 Hello World - 图10

  3. 选择菜单栏的工具->端口，选择正在使用的设备端口（如果设备被操作系统成功识别，会在此处显示出来）；
    第2节 Hello World - 图11

  4. 点击工具栏上的部署按钮，程序就会被编译，并部署到设备上运行了；
    第2节 Hello World - 图12

编译和部署这个过程。实际上执行了下面几个动作：

  1. 将Arduino IDE中的我们可以读懂的文字，通过编译器，转化成了机器码，其中的原理在《编译原理》这门课中会详细的介绍，如果现在不能理解，也没有关系，只要知道，这个过程是把人能读懂的逻辑，转化成了机器CPU能读懂的0101指令，并且这些指令被打包成了一个文件；
  2. 编译出的结果通过串口线，从电脑端，传给了Arduino主板。电脑和主板要能传递数据，必须将两者的硬件用数据线连接，而且还需要将波特率一致设置为9600；
  3. 机器指令传递给Arduino之后，会存储在存储器当中，然后开发板会自动重启，CPU从存储器当中读取指令开始执行。这就是一个系统加电启动的过程。

可以看出上面的过程和我们在电脑端运行程序的方法有点不同：并不是通过双击应用图标来启动程序，而是类似于电脑安装操作系统后，重新开机运行系统。这样理解就对了，其实我们使用的很多微型系统都是这样的，可以说是将自己的程序和系统程序做了深度的融合捆绑到了一起。假如以后你进行系统层级的开发（比如安卓系统、鸿蒙系统底层的开发），就会发现也是类似这样的模式（这个说法不够准确，但目前可以这样理解）。

2.3.4 数据观察

当系统运行起来以后，串口可以充当调试工具，Arduino将代码运行的信息，通过串口发送到电脑端，我们在电脑端观察当前程序运行的逻辑。

点右上角的按钮打开串口监视器（或者使用快捷键Ctrl+Shift+m)

第2节 Hello World - 图13

右下角的波特率必须和setup()中设置的数值相同，本例是9600.

可以看到不断输出“Hello world！”

第2节 Hello World - 图14

这种串口调试的方式是硬件调试时经常采用的方法。因为微型系统上可能没有显示屏幕，内存资源也不丰富，如果把调试信息输入到电脑端显示就方便多了，开发人员也能把这些信息保存下来，进一步分析。

串口的这个用法一定要掌握，这是我们后面进行Arduino开发的基本技能，也是以后接触其他硬件设备的必须调试方式。

至此，一个简单的Arduino程序，就在设备上运行起来了，整个系统的运行过程也就大致如此。