Dateitypen in der Arduino IDE - eine Übersicht

von cooper.bin
veröffentlicht am 16.03.2024 aktualisiert am 16.03.2024

In der Welt der Arduino-Programmierung spielen Datentypen eine zentrale Rolle, da sie den Grundstein für die Speicherung und Verarbeitung von Daten legen. Jeder Datentyp definiert einen spezifischen Wertebereich und bestimmt, wie viel Speicherplatz für die Speicherung einer Variable oder eines Funktionswertes reserviert wird. Die Auswahl des richtigen Datentyps ist entscheidend, um Effizienz, Präzision und eine optimale Nutzung der begrenzten Ressourcen eines Mikrocontrollers zu gewährleisten.

Die Arduino-IDE stellt eine Vielfalt an Datentypen zur Verfügung, von einfachen booleschen Werten, die nur true oder false sein können, bis hin zu komplexeren Fließkommazahlen und benutzerdefinierten Strukturen. Ein interessantes Beispiel ist der bool-Datentyp: Obwohl er konzeptionell nur ein Bit für die Darstellung benötigt, reserviert die Arduino-Plattform standardmäßig 8 Bit im Arbeitsspeicher für eine boolesche Variable, um die Speicherverwaltung zu vereinfachen und die Kompatibilität mit der Hardware zu gewährleisten.

Dieser Beitrag bietet eine umfassende Übersicht über die verschiedenen Datentypen, die in der Arduino-IDE verfügbar sind, und erklärt ihre Eigenschaften, Anwendungen und die damit verbundenen Besonderheiten. Ziel ist es, Ihnen ein tiefes Verständnis dafür zu vermitteln, wie Sie diese Datentypen effektiv in Ihren Projekten einsetzen können, um kreative und technisch solide Lösungen zu entwickeln.

Zum Kapitel springen Grundlegende Datentypen

Zum Kapitel springen void

Der Ausdruck void wird in der Programmierung genutzt, um zu spezifizieren, dass eine Funktion keinen Rückgabewert liefert. Im engeren Sinne handelt es sich bei void nicht um einen traditionellen Datentyp, da er keinen Wertebereich definiert. Stattdessen signalisiert er das Fehlen eines Datentyps. Zusätzlich findet void Anwendung in der Deklaration von Zeigern, die auf eine Adresse ohne spezifizierten Datentyp verweisen, was ihre Flexibilität in verschiedenen Kontexten erhöht.

void myFunction(){
   // do some stuff here an return nothing
}

Zum Kapitel springen bool - 1 bit

Variablen des Typs bool, auch bekannt als boolean, sind darauf ausgelegt, einen von zwei möglichen Werten zu speichern: true oder false. Obwohl für eine bool-Variable 8 Bit an Speicherplatz reserviert werden, repräsentiert sie konzeptionell einen binären Zustand, der effektiv nur 1 Bit an Information benötigt. Dies macht den bool-Datentyp ideal für die Darstellung von binären Zuständen, wie dem Ein- oder Auszustand eines Schalters.

bool switch_is_on = true;
bool switch_is_on = false;

Zum Kapitel springen byte - 8 bit

Ein Byte, welches aus 8 Bit besteht, ist in der Lage Werte im Bereich von 0 bis 255 zu speichern. Diese Eigenschaft wird häufig bei PWM (Pulsweitenmodulation) Registern genutzt, die ebenfalls eine Auflösung von 8 Bit besitzen. Aufgrund dieser Übereinstimmung ergibt sich der maximale Wert von 255 für die Intensität von PWM-Signalen.

byte value = 33;

Zum Kapitel springen char - 8 bit

Der Datentyp char dient zur Speicherung einzelner Zeichen, kann aber auch numerische Werte im Bereich von -128 bis 127 aufnehmen. Jedes char belegt 1 Byte Speicherplatz, wobei die Interpretation des gespeicherten Werts oft anhand der ASCII-Tabelle erfolgt. Diese Tabelle ordnet jedem Zeichen einen eindeutigen Dezimalwert (Dez) zu, wodurch char variabel für Buchstaben, Ziffern oder Steuerzeichen verwendet werden kann. Ein Blick in die ASCII-Tabelle ist hilfreich, um die Zuordnung zwischen Zeichen und ihren numerischen Äquivalenten zu verstehen.

// Bei beiden Definitionen wird der Buchstabe a gespeichert.
char buchstabe_a = ‘a’;
char number_a = 97;

Zum Kapitel springen unsigned char - 8 bit

Der Datentyp unsigned char ist vorzeichenlos, das heißt, er kann keine negativen Werte abbilden. Stattdessen erstreckt sich sein Wertebereich über 1 Byte von 0 bis 255, was ausschließlich positive Werte umfasst. Dies entspricht dem Wertebereich des byte-Datentyps. Um Verwechslungen zu vermeiden, empfiehlt es sich, bei Bedarf direkt den byte-Datentyp zu verwenden.

// Dies speichert das ASCII-Zeichen für das Copyright-Symbol ©
unsigned char myChar = 169;

Zum Kapitel springen word - 16 bit

Der Datentyp word ist implizit vorzeichenlos, auch wenn das Schlüsselwort unsigned nicht explizit angegeben wird. Dies bedeutet, dass word nur positive Werte speichern kann, mit einem Wertebereich von 0 bis 65'535. Der Name word kann irreführend sein, da er suggeriert, es könnten Wörter gespeichert werden, tatsächlich aber werden Ganzzahlen in diesem Bereich abgebildet. Für Klarheit und Konsistenz kann es sinnvoll sein, stattdessen den Datentyp unsigned int zu verwenden, der denselben Wertebereich bietet.

word gramms = 45231;

Zum Kapitel springen int - 16 bit

Der Datentyp int steht für "Integer" und bezeichnet Ganzzahlen, also Zahlen ohne Nachkommastellen. Mit einer Größe von 16 Bit ermöglicht dieser Datentyp die Speicherung von Werten im Bereich von -32'768 bis 32'767, einschließlich sowohl negativer als auch positiver Zahlen. Diese Spanne macht int besonders vielseitig für Anwendungen, bei denen eine breite Palette von Ganzzahlen benötigt wird.

int year = 2021;

Zum Kapitel springen unsigned int - 16 bit

Der unsigned int Datentyp ist äquivalent zum word Datentyp, mit der Fähigkeit, positive Ganzzahlen ohne Vorzeichen zu speichern. Beide Datentypen nutzen 16 Bit Speicherplatz, was einen Wertebereich von 0 bis 65'535 ermöglicht. Dieser Umfang erlaubt die Darstellung einer breiten Palette von Zahlen, ideal für Fälle, in denen negative Werte nicht erforderlich sind.

unsigned int gramms = 45231;

Zum Kapitel springen long - 32 bit

Der Datentyp long nutzt 32 Bit Speicherplatz, um sowohl positive als auch negative Ganzzahlen zu speichern. Dies ermöglicht einen breiten Wertebereich von -2'147'483'648 bis 2'147'483'647. Diese Kapazität macht den long Datentyp ideal für Anwendungen, die einen umfangreichen Zahlenbereich benötigen, wie beispielsweise bei der Verarbeitung großer Zählvariablen oder bei der Arbeit mit Zeitdifferenzen in größeren Dimensionen.

long time_remaining = -12372876;

Zum Kapitel springen unsigned long - 32 bit

Der unsigned long Datentyp reserviert 32 Bit im Speicher für die Speicherung ausschließlich positiver Zahlen. Dieser erweiterte Speicherplatz ermöglicht es, einen großen Wertebereich von 0 bis 4'294'967'295 abzudecken. Aufgrund seiner Fähigkeit, umfangreiche Zahlenwerte zu handhaben, findet unsigned long häufig Verwendung bei der Zeitmessung, insbesondere in Verbindung mit der millis() Funktion der Arduino IDE, die die Millisekunden seit dem Programmstart zurückgibt.

unsigned long last_millis = 3124591539;

Zum Kapitel springen float - 32 bit

Der float Datentyp ist einzigartig, da er speziell für die Speicherung von Fließkommazahlen konzipiert wurde. Mit einem Speicherbedarf von 32 Bit ermöglicht float die Darstellung von Zahlen mit Dezimalstellen, wobei der Wertebereich von etwa -3,4E+38 bis 3,4E+38 reicht. Aufgrund ihrer Fähigkeit, komplexe Berechnungen mit Bruchteilen auszuführen, sind float Variablen besonders wertvoll in mathematischen und wissenschaftlichen Anwendungen. Jedoch sollte ihre Verwendung wohlüberlegt sein, da sie sowohl rechen- als auch speicherintensiver im Vergleich zu Ganzzahl-Datentypen sind. Dies gilt besonders in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen, wie Mikrocontrollern.

float height = 1.75;

Zum Kapitel springen Erweiterte Datentypen

Zum Kapitel springen short - 16 bit

Ein short ist ein Ganzzahl-Datentyp, der mindestens 16 Bit Speicherplatz belegt und Werte im Bereich von -32768 bis 32767 speichern kann. Es bietet eine kompakte Form zur Speicherung von Ganzzahlen, wenn der breitere Wertebereich von int nicht benötigt wird.

short smallNumber = -12345;

Zum Kapitel springen double - 64 bit

Der Datentyp double bietet eine höhere Präzision für Fließkommazahlen im Vergleich zu float, mit einem Speicherbedarf von 64 Bit auf Plattformen wie dem Arduino Due. Auf den meisten 8-bit Mikrocontrollern (z.B. Arduino Uno) ist double allerdings gleichbedeutend mit float und beschränkt sich auf 32-Bit Präzision. double ist ideal für Anwendungen, die eine hohe numerische Genauigkeit erfordern.

double precisionValue = 3.1415926535897932384626433832795;

Zum Kapitel springen long long - 64 bit

Der Datentyp long long erweitert den Wertebereich für Ganzzahlen deutlich, indem er 64 Bit (8 Byte) des Speicherplatzes nutzt. Er ist in der Lage, Werte zwischen -9'223'372'036'854'775'808 und 9'223'372'036'854'775'807 zu speichern. Diese erweiterte Kapazität macht long long besonders wertvoll für Anwendungen, die mit extrem großen Ganzzahlen arbeiten müssen, welche die Kapazität herkömmlicher Datentypen wie int und long überschreiten.

// Nutzt 'LL' zur Kennzeichnung als 'long long'
long long veryLargeNumber = -9223372036854775807LL; 

Zum Kapitel springen unsigned long long - 64 bit

Parallel zum long long Datentyp gibt es den unsigned long long, der ebenfalls 64 Bit des Speichers belegt, jedoch ausschließlich positive Werte speichern kann. Der Wertebereich erstreckt sich von 0 bis 18'446'744'073'709'551'615. Die Nutzung von unsigned long long ist ideal, wenn Sie mit Zahlenwerten arbeiten, die über die Grenzen positiver Werte von long hinausgehen, ohne die Notwendigkeit, negative Zahlen zu berücksichtigen.

// Nutzt 'ULL' zur Kennzeichnung als 'unsigned long long'
unsigned long long veryLargePositiveNumber = 18446744073709551615ULL;

Zum Kapitel springen Höhere Datentypen und Konzepte

Zum Kapitel springen String

Im Gegensatz zu char-Arrays, die für die Speicherung von Zeichenfolgen verwendet werden können, bieten String-Objekte dynamische Speicherverwaltung und eine Vielzahl von Methoden für Operationen wie das Hinzufügen, Entfernen oder Suchen innerhalb von Strings. Die Verwendung von String kann jedoch zu Fragmentierung des Speichers führen, weshalb sie mit Vorsicht eingesetzt werden sollte.

String greeting = "Hallo Welt!";

Zum Kapitel springen Array

Arrays sind Sammlungen von Elementen desselben Datentyps, die unter einem gemeinsamen Namen gespeichert werden. Sie ermöglichen die effiziente Verwaltung von Datensätzen und können mit jedem grundlegenden Datentyp wie int, float, char etc. genutzt werden. Arrays spielen eine zentrale Rolle bei der Organisation und Verarbeitung von Daten in Arduino-Projekten.

// Array von Temperaturmesswerten für eine Woche
int temperatureReadings[7] = {22, 24, 23, 22, 25, 26, 23}; 

Zum Kapitel springen Structs

Mit Structs können benutzerdefinierte Datentypen erstellt werden, die Gruppen von Variablen unterschiedlicher Datentypen unter einem Namen zusammenfassen. Sie eignen sich hervorragend zur Darstellung von komplexeren Datenstrukturen, wie z.B. Sensordaten, die mehrere Attribute umfassen.

struct SensorData {
  float temperature;
  float humidity;
};

SensorData indoorClimate = {22.5, 48.7};
Serial.print("Temperatur: ");
Serial.print(indoorClimate.temperature);
Serial.print(", Feuchtigkeit: ");
Serial.println(indoorClimate.humidity);

Zum Kapitel springen Enums

Enums (Enumerationen) definieren einen Datentyp, der eine Menge von benannten Konstanten repräsentiert. Sie sind nützlich, um Code lesbarer und wartbarer zu machen, indem sie eine klare Bezeichnung für die Werte von Variablen bieten.

enum Days {MONDAY, TUESDAY, WEDNESDAY, THURSDAY, FRIDAY, SATURDAY, SUNDAY};
Days today = WEDNESDAY;

// Gibt den numerischen Wert von 'WEDNESDAY' aus, typischerweise '2' in dieser Enumeration
Serial.println(today);

Zum Kapitel springen Zeigertypen und Speichermanagement

Zum Kapitel springen Pointer

Zeiger sind Variablen, die Speicheradressen speichern. Sie ermöglichen die direkte Interaktion mit dem Speicher und bieten leistungsfähige Mechanismen für die dynamische Speicherverwaltung und die Manipulation von Array-Daten. Zeiger können mit jedem Datentyp verwendet werden und sind ein fortgeschrittenes Werkzeug, das mit Vorsicht angewendet werden sollte.

int value = 30;

// 'ptr' enthält die Adresse von 'value'
int* ptr = &value; 

// Dereferenzierung des Zeigers gibt den Wert von 'value' aus
Serial.print("Wert von 'value' über Zeiger: ");
Serial.println(*ptr);

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