1. Framework

Um framework ou plataforma como o Arduino é um ecossistema de código aberto que integra hardware (placas baseadas em microcontroladores) e software (um ambiente de desenvolvimento integrado - IDE e bibliotecas) para simplificar a computação física. Ele atua como uma camada de abstração de software, oferecendo uma interface amigável (um subconjunto de C/C++ conhecido como a biblioteca Wiring) que esconde os detalhes complexos do hardware e dos registradores.

Função A principal função de um framework desse tipo é servir como uma ferramenta de prototipagem rápida e educação. Ele permite que iniciantes, artistas e designers criem sistemas funcionais (chamados de sketches) que sentem e respondem ao mundo físico sem a necessidade de profundos conhecimentos técnicos em eletrônica ou programação de baixo nível.

Vantagens

Facilidade e Acessibilidade: Projetado para pessoas sem experiência prévia, incluindo farta documentação e exemplos de código.
Baixo Custo: As placas são baratas e o software é gratuito, de código aberto e multiplataforma (roda em Windows, Mac e Linux).
Comunidade Global: Possui uma vasta comunidade ativa que compartilha projetos e soluções em fóruns e wikis como o Arduino Playground.
Hardware Aberto: Os esquemas das placas são públicos, permitindo que qualquer pessoa fabrique suas próprias versões ou módulos de expansão (shields).
Desenvolvimento Ágil: Favorece a implementação imediata de ideias, permitindo testar conceitos rapidamente.

Desvantagens

Eficiência de Memória: O uso das bibliotecas de abstração consome significativamente mais memória flash e RAM do que um código escrito puramente em C ou Assembly.
Desempenho Reduzido: Comandos abstratos como digitalWrite podem ser mais de 30 vezes mais lentos do que o acesso direto aos registradores do microcontrolador.
Limitações de Depuração: A IDE padrão não oferece ferramentas nativas para a depuração (debug) passo a passo no hardware, o que dificulta a resolução de problemas em projetos profissionais complexos.
Baixa Portabilidade: Códigos dependentes das funções específicas do framework (Wiring) geralmente não funcionam em outras plataformas de hardware que não suportam a mesma camada de abstração.

Exemplos de outros frameworks e ambientes

chipKIT: Uma das primeiras plataformas a suportar a compilação de código Arduino para microcontroladores PIC32.
openFrameworks: Conjunto de bibliotecas C++ voltado para componentes de áudio, vídeo e gráficos, que interage com o Arduino para expandir suas capacidades.
Atmel Software Framework (ASF): Biblioteca profissional que fornece milhares de exemplos e drivers para microcontroladores AVR e ARM.
.NET Compact Framework: Sistema da Microsoft que permite a execução de aplicações em linguagens como C# e Visual Basic em dispositivos embarcados.

2 Arduino x C x Asm

A comparação foi desenvolvida comparando os arquivos .hex gerados pela compilação após cada uma das três formas de codificação propostas: Framework Arduino, C e Assembly. Sendo que os três códigos executam o mesmo programa, que consiste em duas saídas digitais piscando de forma alternada e condicionada ao valor de uma entrada digital, assim, quando a entrada possui o valor lógico 1, as saídas piscam alternadamente com intervalo de aproximadamente 500 ms e a entrada com o valor lógico 0 produz um desligamento das saídas.

Segue o código feito das três formas propostas.

Código utilizando o framework Arduino.

// Código .ino

void setup()
{
  pinMode(13, OUTPUT);
  pinMode(12, OUTPUT);
  pinMode( 8, INPUT);
}

void loop()
{
  if( digitalRead(8) == 1 )
  {
    digitalWrite(12, HIGH);
    digitalWrite(13, LOW);
    delay(500);
    digitalWrite(12, LOW);
    digitalWrite(13, HIGH);
    delay(500);
  }
  else
  {
    digitalWrite(12, LOW);
    digitalWrite(13, LOW);
  }
}

Código fonte em linguagem C para AVR.

// Código .c

#define F_CPU 16000000L
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
int main(void)
{   
    DDRB = 0b00110000;
    PORTB = 0;
    while (1)
    {
        if( PINB & (1<<0))
        {
            PORTB |= (1<<4);
            PORTB &= ~(1<<5);
            _delay_ms(500);
            PORTB ^= (1<<4 | 1<<5);
            _delay_ms(500);
        }
        else
        {
            PORTB &= ~(1<<4);
            PORTB &= ~(1<<5);
        }
    }
}

Código fonte em linguagem Assembly para AVR.

; Código .asm

            ; Inclusão das definições de pinos fornecidas pelo fabricante
.include "m328pdef.inc"

                ; Programa alocado no enderaço 0 da memória de código.
.ORG 0X0000

                ; PB5, PB4: out;    PB0: in;    0b00110000 = 0x30
    LDI     R16,0x30
    OUT     DDRB,R16

DESLIGA_LEDS:
    LDI     R16,0x00
    OUT     PORTB,R16

INICIO:
    IN      R16,PINB
    SBRS    R16,0
    RJMP    DESLIGA_LEDS

    RCALL   DELAY
    SBI     PORTB,PB5
    CBI     PORTB,PB4
    RCALL   DELAY
    CBI     PORTB,PB5
    SBI     PORTB,PB4
    RJMP    INICIO

DELAY:
    LDI     R16,0
    LDI     R17,0
    LDI     R18,41
DELAY_LOOP:
    INC     R16
    BRNE    DELAY_LOOP
    INC     R17
    BRNE    DELAY_LOOP
    DEC     R18
    BRNE    DELAY_LOOP
    RET

O arquivo de inclusão do projeto em Assembly m328pdef.inc contém a definição dos registradores e seus respectivos endereços. Este arquivo é fornecido pelo fabricante.

Após a compilação dos códigos, são gerados arquivos .hex equivalentes em comportamento, porém com uma diferença absurda em termos de ocupação de memória.

Arduino_C_Asm

Referências

ANDERSON, Rick; CERVO, Dan. Pro Arduino: Arduino Expert Topics and Techniques. New York: Apress, 2013.
LIMA, Charles Borges de; VILLAÇA, Marco Valério Miorim. AVR e Arduino: Técnicas de Projeto. 2. ed. Florianópolis: Edição dos Autores, 2012.
MARGOLIS, Michael. Arduino Cookbook. 2. ed. [S. l.]: O'Reilly Media, 2012.
NOERGAARD, Tammy. Embedded Systems Architecture: A Comprehensive Guide for Engineers and Programmers. Oxford: Elsevier, 2005.
PEREA, Francis. Arduino Essentials. Birmingham: Packt Publishing, 2015.
PURDUM, Jack. Beginning C for Arduino: Learn C Programming for the Arduino and Compatible Microcontrollers. New York: Apress, 2012.
RUSSELL, David J. Introduction to Embedded Systems: Using ANSI C and the Arduino Development Environment. [S. l.]: Morgan & Claypool, 2010.