Arduino傳奇故事：開發秘辛

任職於Arduino S.R.L（arduino.org網站）的Gillian和Kevin告訴我，《超圖解Arduino互動設計入門》書籍第一章，有關Arduino控制板的歷史介紹部分內容，與事實不符。

這是本書第一章開頭的前兩段文字：

2005年時，任教於義大利北部伊夫雷亞（Ivrea）一所互動設計學院（Interaction Design Institute Ivrea）的Massimo Banzi和David Cuartielles教授，希望能替學生和互動藝術設計師，找到一種能幫助他們學習電子和感測器基本知識，並快速地設計、整合互動作品原型（prototype）的微電腦裝置。

有鑑於當時市面上的微電腦控制相關產品所費不貲，而有些產品採用的程式語言深奧難懂，也不適合設計學院的學生使用。所以他們找來幾個志同道合的夥伴和學生，以11世紀北義大利的一個國王”Arduino”為名，設計出開放式（open source）微電腦控制板（以下簡稱「微電腦板」或「控制板」）以及程式開發工具。

Kevin傳給我一份Wiring開源軟硬體（註：Wiring的原意是電子元件之間的接線）的發明者Hernando Barragán（埃爾南多·巴拉甘，以下稱「埃爾南多」）撰寫的The Untold History of Arduino（直譯為「不為人知的Arduino歷史」）文件連結。這份文件詳述Arduino前傳，有英文和日文版。原文內容頗長，筆者摘譯其中一部分，並嘗試像一般的科普書籍一樣，把外國人名翻成中文，提供有興趣的讀者一窺Wiring和Arduino的發明史，以及Arduino創始團隊對簿公堂的緣由。

原文末尾列舉了各大媒體，如Wired（連線）、Makezine（Make雜誌）、Arduino紀錄片…等，對Arduino開發過程的錯誤報導，筆者僅翻譯其中的紀錄片部份，因為《超圖解Arduino互動設計入門》書本第一章也有提到紀錄片內容。事先聲明：筆者沒有資格替原作者表達任何立場，純粹只是義務性質的翻譯。

為了讓本文更通順，摘譯的內容並未完全按照原文的順序安排。以下內文中的第一人稱「我」，指的是原作者，照片的版權也都歸原作者所有。

一開始，先有了Wiring

底下這些所有Arduino使用者都熟知的指令，你知道是誰創造的嗎？正是埃爾南多，這些指令最早出現在Wiring：

• pinMode()
• digitalRead()
• digitalWrite()
• analogRead()
• analogWrite()
• delay()
• millis()
• 等等…

Wiring是埃爾南多就讀IDII時的論文作品，其指導教授是Massimo Banzi （馬西摩·班吉，擁有arduino.cc網站）以及Casey Reas（凱西·瑞斯，Proccessing程式語言的共同創建者）。

為何要製作Wiring？

Wiring是我在2003年，於義大利Interaction Design Institute Ivrea（互動設計學院伊夫雷亞，以下簡稱IDII，該校創立於2001年，2005年被整併退場）進行的碩士論文專案。

該專案的目標是把複雜的電子元件，以簡單易懂的元素呈現，讓藝術家和設計師得以全神專注在創作本身，不受電子學知識的束縛。

完整的論文可以在這裡下載：
http://people.interactionivrea.org/h.barragan/thesis/thesis_low_res.pdf。

這個專案在IDII非常受矚目，並且從2004年開始，直到2005年學校關閉，它也被應用在其他幾個專案上。

因為這篇論文，我獲頒傑出畢業生獎（Graduates with Distinction）；也是唯一在2004年於IDII獲此殊榮的畢業生。之後，我任職於哥倫比亞的Universidad de Los Andes（洛斯安第斯大學），教授互動設計課程，並繼續開發Wiring。

以下列舉Wiring的特色：

• 簡單易用的整合開發環境（IDE），基於可在Microsoft Windows、Mac OS X和Linux運作的Processing.org IDE。其中包含簡單的編輯器，可建立軟體程式（也稱為“sketch”）。
• 替微控制器打造的簡單「程式語言」或者程式「框架」
• 完全整合編譯程式所需的各項軟體工具（用戶無須了解背後的運作方式）
• 方便上傳程式的開機啟動程序（bootloader）
• 用於檢視以及傳送或接收微控制器資料的序列監控程式
• 開源（開放原始碼）軟體
• 基於Atmel微控制器的開源硬體設計
• 在網路上提供完整的程式指令和程式庫說明文件，以及範例、教學、論壇和採用Wiring完成的專案展示。

程式指令和語法

如上文所述，Arduino使用者所熟知的程式指令，是我在開發Wiring時定義的。

毫無疑問地，將功能複雜的微控制器引腳用簡單的數字代表，對微控器程式設計而言，是個重大的改變，而這個語法設計是在決定硬體平台之前就先定義好的。所有程式指令的命名和語法都是我嘔心瀝血的設計成果，其中包括邀請學生進行使用者測試、觀察、分析、調整以及反覆修正。

在我開發硬體原型的過程中，它的程式語言也自然地被開發成型。但直到最後的原型板被製作出來，程式語言才趨於完善。

我的論文有詳細說明設計過程，其中還包括後來被屏棄的，在設計階段初期所設定的指令名稱和語法。

硬體

從設計師的角度看來，這可能是最難解決的部分。我曾向不同廠商徵詢或購買評估板。

以下是在Wiring硬體設計過程中的一些關鍵時刻。

原型1

Wiring的第一個原型板採用Parallax公司的Javelin Stamp 微控制器。這是因為Wiring控制板的IDE是基於Processing語言的IDE，Processing語言及其IDE則是用Java語言開發的，而這個微控器的程式語言是Java的子集，所以我很自然的選用了它。

問題：如同論文第40頁的說明，編譯、連結（linking，把編譯完成的主程式和其他程式碼合成一個檔案）以及上傳用戶的程式檔，都得仰賴Parallax公司的專屬工具程式。由於我打算將Wiring專案開源，Javelin Stamp就不是一個可行的方案。

在後續的原型板開發過程中，微控制器的選用方式，是基於編譯、連結和上傳用戶程式檔等工具（註：這一系列工具軟體統稱toolchain，直譯為「工具鏈」），是否有開放原始碼的版本。這個決定導致非常流行的Microchip PIC系列單晶片，在設計階段初期就被剔除了，因為當時（大約是2003年），Microchip公司並沒有開放原始碼的toolchain（譯註：2016年一月，Microchip宣佈將以$35.6億美元併購Atmel，並於同年四月完成交易）。

原型2

Wiring硬體的第二個原型板，選用了基於ARM的Atmel微控制器AT91R40008，並且獲得很好的成果。第一個程式範例檔，以及程式指令的命名和試驗，都是從這個控制板開始。例如，現在大家所熟知的digitalWrite()，最早叫做pinWrite()。

在我評估此原型板功能的過程中，Atmel R40008擔任數位輸出/入API和序列通信API的測試平台。Atmel R40008是個非常強大的單晶片，但是它太複雜了，一般人無法自行將它焊接到印刷電路板上。

更多有關此原型板的說明，請參閱論文第42頁。

原型3

前一個原型板實驗衍生出第三個原型板，它採用效能比較弱但仍足以應付專案所需，而且不需要特殊工具或其他週邊設備，即可動手組裝的微控制器。

我選用Atmel公司的ATmega128微控制器，並且購買一個Atmel STK500評估板，板子上有個ATmega128的插座。

在STK500控制板上的實驗，一試就成功，所以我從BDMICRO 買了已經焊接好ATmega128的MAVRIC控制板。Brian Dean（布萊恩·迪恩）在當時為他的MAVRIC控制板投入大量的心力，因而驅使他製作一個可以輕鬆上傳新程式檔給控制板的軟體工具。直到今天，這個稱為“AVRDUDE”的軟體，依然被Arduino IDE採用。

由於傳統的COM（RS-232序列）介面逐漸從電腦上消失，我選擇了FTDI硬體，讓控制板透過USB介面和電腦通訊。FTDI有提供Windows，Mac OS X和Linux版本的驅動程式，符合Wiring在所有系統平台運作的需求。

2004年初，在基於MAVRIC控制板（原型3）的原型上，我參考布萊恩·迪恩和Pascal Stang（帕斯卡爾·史丹）的電路圖，設計出第一個Wiring控制板。它的特點如下：

• 採用ATmega128微控制器
• 採FTDI232BM用於序列轉USB通訊
• 控制板內建連接微控器一個引腳的LED
• 包含電源LED以及顯示RX/TX序列通訊狀態的 LED

我使用Cadsoft公司的Eagle PCB軟體來設計電路圖和印刷電路板。

在第三個原型板上，進行了最終版API的測試和調校，並且新增更多範例，而我寫的第一個LED閃爍範例，直到今日，仍然是Arduino控制板的初學者認識開發環境所接觸的第一個程式碼。支援液晶顯示器（LCD）、序列埠通訊、伺服馬達，甚至透過序列通訊介面連接Wiring和Processing…等許多範例，也陸續被開發出來。詳情可在論文第50頁找到。

2004年3月，向SERP（註：，一家位於義大利伊夫雷亞的印刷電路板工廠）訂製的25個Wiring印刷電路板被生產出來，並且透過IDII支付費用。

我動手焊接完成這25個控制板，並開始和IDII的一些同學進行可用性測試。那真是令人振奮的時刻！

繼續開發

2004年從IDII畢業之後，我搬回哥倫比亞，並開始在Universidad de Los Andes擔任互動設計課程講師。在我持續開發Wiring的同時，IDII於2004年末，決定生產、組裝100片Wiring控制板，用於IDII實體運算（physical computing）教學課程。Bill Verplank（比爾·維普蘭克，前IDII職員）要求Massimo Banzi寄送10片板子給我在哥倫比亞的課堂上使用。

2004年，前教職員Yaniv Steiner（葉尼弗·施泰納），以及之前的學員Giorgio Olivero和Paolo Sancis，在IDII使用Wiring板製作Instant Soup Project（直譯為「速食湯品專案」）作品。

首次重大成功 ：Strangely Familiar

2004年秋天，Wiring板被應用在IDII的Strangely Familiar（直譯為「奇怪又熟悉的感覺」）實體運算教學專案，22名學生在此專案中完成了11個成功的作品。這個為期四週的專案，由四位教職員執導：

• Massimo Banzi
• Heather Martin
• Yaniv Steiner
• Reto Wettach

對學生和教授而言，這個教學活動圓滿成功。Strangely Familiar專案證明了Wiring有潛力作為互動設計的創新平台。

2004年12月16日，比爾·維普蘭克發了封郵件給我：

[這個專案]很精彩。每個人都做出可以運作的東西。其中五個作品還用到馬達！最先進的作品（由兩位MIT的畢業生──建築師和數學家製作），透過Wiring板結合滾輪/馬達，能讓人在Processing繪圖時感覺到筆觸…
很顯然地，這個專案成功的要素之一是採用Wiring板。

底下是該課程的簡介文件：
http://wiring.org.co/exhibition/images/brief.pdf

這是介紹專案成果的小冊子：
http://wiring.org.co/exhibition/images/book01.pdf

在世界其他地區

2005年5月，我和美國的Advanced Circuits公司簽約，在IDII以外生產首批200片印刷電路板，並且在哥倫比亞組裝。我開始出售控制板給一些學校，到2005年底，Wiring已被世界各地採用。

Arduino的形成

在IDII生產出的第一個Wiring板，當時一片的製造成本大約$50美元。（我不知道實際的費用，因為不是由我經手，但我在哥倫比亞販售的價格約$60美元）。這個價格已經比當時其他控制板低不少，但是對多數人來說，還是有點貴。

2005年，Massimo Banzi、David Mellis（大衛·梅利斯，當時是IDII的學生）和David Cuartielles，一起替Wiring加入支援更便宜的ATmega8單晶片。接著，他們fork（相當於「複製」）Wiring的原始碼，然後另外發起新的專案，這個專案就叫Arduino。

其實他們沒有必要另起爐灶，我很樂意幫助一起支援ATmega8和任何其它微控制器。我也曾計劃這樣做。

Wiring和Arduino早期，都使用了前IDII的學生Nicholas Zambetti（尼可拉斯·桑姆貝堤），也是David Mellis（大衛·梅利斯）同班同學的開發成果。尼可拉斯曾短暫地被視為Arduino團隊的一員。

大約在同一時間，Gianluca Martino（詹盧卡·馬蒂諾，他在SERP印刷電路板工廠擔任顧問）加入Arduino團隊，協助製造和硬體開發。為了降低Arduino控制板的價格，Gianluca在David Cuartielles的協助下，開發出採用ATmega8、價位更低廉的硬體。

Tom Igoe（湯姆·伊果，NYU2的ITP教師）被Massimo Banzi邀請參加IDII的一個工作坊，並成為Arduino團隊的一員。

直到今日，我完全不知道為什麼Arduino團隊要fork（複製）Wiring的程式碼。至於為何我沒有加入Arduino團隊？因為我從未被徵詢過。

雖然Arduino團隊fork（複製）程式碼的舉動讓我感到錯愕，我仍持續開發Wiring，而且我和其他程式碼貢獻者對Wiring做出的改進，幾乎全都被合併到Arduino的原始碼。我試圖忽視Arduino團隊仍在擷取我的工作成果的事實，但不明白，他們為何要做這種冗贅的重複性和浪費資源的事。

到了2005年底，我夥同Casey Reas（凱西·瑞斯）撰寫“Processing: A Programming Handbook for Visual Artists and Designers”書本當中的一個章節。這一章簡短地介紹了藝術和電子跨界結合的歷史，其中包括Processing整合Wiring和Arduino的範例。我展示了可用於這兩個平台的範例程式，並確保這些範例都能在Wiring和Arduino控制板運作。

這本書在2013年出了第二版，而凱西和我再次修改那個章節，並自2014年開始，把增訂的部份放在網路上。

以訛傳訛的誤導信息

有人說：

「如果我們不把事情說得透徹清楚，人們會自己導出一個論點，而這個推論將演變成事實，即使我們從來沒有那樣說過。」

在我看來，這是普遍適用的通則，特別是你透過些微扭曲的事實來誤導人們，你可以掌控他們的推論。

Arduino紀錄片（The Arduino Documentary）

2010年出品的Arduino紀錄片（The Arduino Documentary，由Raúl Alaejos和Rodrigo Calv編導）是非常普及的宣傳媒介之一（譯註：原本的Arduino紀錄片網站域名：arduinothedocumentary.org已不存在，但仍可在Vimeo網站觀看英文字幕版）。

這個影片很有意思，特別是從2016年的今日看來。我認為拍攝這種紀錄片的立意非常好，尤其是對蘊含如此豐富歷史的一個專案。

底下是影片中一些有趣的矛盾論述：

1:45 – 「我們希望它是開源的，這樣每個人都可以過來幫忙，並作出貢獻。」這段話暗指Wiring是封閉的。由於Wiring有一部分是基於Processing，Processing及其所有程式庫都是GPL開源，也因此，Wiring和Arduino都必須是開源，不可以封閉程式碼。此外，影片提到Arduino把軟體變得更簡易使用也是一種誤導，因為Arduino是直接沿用Wiring程式語法，沒有改變，而這正是Wiring和Arduino簡單易用的關鍵要素。

3:20 – David Cuartielles早就知道Wiring，因為正如紀錄片所說，他曾在2005年受僱於IDII，設計兩個轉接板（plug-in board）。片中也提到David Mellis（大衛·梅利斯）協助開發軟體，但實際上，梅利斯在2004年時，是個運用Wiring來學習實體運算（physical computing）的IDII學生。有趣的是，Gianluca（贊布羅塔）在片中變成了誰能夠設計電路板的人（他是電路板製作公司的業務承包人員），並成為「Arduino團隊」的一員。

8:53 – David Cuartielles於2005年7月，在馬德里的媒體實驗室做簡報時，提到：「Arduino是最新的專案，我在上週完成了它。我在跟伊夫雷亞學院的技術總監談話時，告訴他：『如果我們能設法提供免費的東西，那不是很棒嗎？』，他說：『免費？好啊！』」。David居然以一個他在「上週」完成的專案的作者身份出現，並且說服IDII的「技術總監」免費將它提供給大眾。

18:56 – Massimo Banzi說：對我們而言，一開始它是一個特定的需求：我們知道學校即將關門大吉，而且我們擔心律師會在某天出現，然後說：這裡的一切都要封箱起來然後被遺忘。 因此，我們想：好吧，如果我們把這一切全都開源，那這個專案就可以在學校關閉之後繼續存活下來。那是我們的第一步。

這段論述相當特別。它讓人誤以為將Arduino開源是學校關閉之後的一個出路。這引發一個問題：為什麼會有一幫律師要求將基於其他開源專案的專案「封箱」？這種想法太奇怪了。但是，普羅大眾可能會認為這是真的，因而替Arduino團隊塑造一個正大無私的開源理由。

原文摘譯自此，完整內容和圖片請參閱“The Untold History of Arduino ”。