M5Stack Cardputer 関数電卓

#include <M5Cardputer.h>
#include <M5Unified.h>
#include <cmath>
#include <random>

using namespace std;

// 画面の定義
M5GFX display;
M5Canvas canvas(&M5Cardputer.Display);

// フォントの定義
const GFXfont *font_num = &FreeSansBold9pt7b;  // 数字用フォント
const GFXfont *font_op = &FreeSans9pt7b;       // 演算子用フォント

// 入力状態
String input_string = "";
bool show_result = false;  // 結果表示フラグ

// 関数のプロトタイプ宣言
double parse_function(String func, String expr, int &index);
double calculate(String expression);
double parse_term(String expression, int &index);
double parse_factor(String expression, int &index);
double parse_power(String expression, int &index);

// 階乗を計算する関数
double factorial(double n) {
  if (n < 0) {
    return NAN; // エラー：負の数の階乗は定義されない
  } else if (n == 0) {
    return 1;
  } else {
    return n * factorial(n - 1);
  }
}

// 乱数生成器
random_device rd;  
mt19937 generator(rd()); 
uniform_real_distribution<double> distribution(0.0, 1.0);

// 式全体を計算する関数
double calculate(String expression) {
    int index = 0;
    return parse_term(expression, index);
}

// 加算と減算を処理する関数
double parse_term(String expression, int &index) {
    double result = parse_factor(expression, index);
    while (index < expression.length()) {
        char c = expression.charAt(index);
        if (c == '+' || c == '-') {
            index++;
            if (c == '+') {
                result += parse_factor(expression, index);
            } else {
                result -= parse_factor(expression, index);
            }
        } else {
            break;
        }
    }
    return result;
}

// 乗算と除算を処理する関数
double parse_factor(String expression, int &index) {
    double result = parse_power(expression, index);
    while (index < expression.length()) {
        char c = expression.charAt(index);
        if (c == '*' || c == '/') {
            index++;
            if (c == '*') {
                result *= parse_power(expression, index);
            } else {
                double denominator = parse_power(expression, index);
                if (denominator == 0) {
                    return NAN; // ゼロ除算エラー
                }
                result /= denominator;
            }
        } else {
            break;
        }
    }
    return result;
}

// 指数計算を処理する関数
double parse_power(String expression, int &index) {
    double result = parse_function_or_number(expression, index);
    while (index < expression.length() && expression.charAt(index) == '^') {
        index++;
        double exponent = parse_function_or_number(expression, index);
        result = pow(result, exponent);
    }
    return result;
}

// 数値または関数呼び出しを処理する関数
double parse_function_or_number(String expression, int &index) {
    while (index < expression.length() && isspace(expression.charAt(index))) {
        index++;
    }
    if (index >= expression.length()) {
        return NAN;
    }

    char c = expression.charAt(index);
    if (isdigit(c) || c == '.') {
        // 数値を解析
        String numStr = "";
        while (index < expression.length() && (isdigit(expression.charAt(index)) || expression.charAt(index) == '.')) {
            numStr += expression.charAt(index++);
        }
        return numStr.toFloat();
    } else if (c == '(') {
        // 括弧内の式を計算
        index++;
        double result = calculate(expression.substring(index));
        while (index < expression.length() && expression.charAt(index) != ')') {
            index++;
        }
        index++;
        return result;
    } else if (isalpha(c)) {
        // 関数呼び出しまたは数学定数を解析
        String funcOrConst = "";
        while (index < expression.length() && isalpha(expression.charAt(index))) {
            funcOrConst += expression.charAt(index++);
        }

        // 数学定数の処理
        if (funcOrConst == "PI") {
            return M_PI;
        } else if (funcOrConst == "E") {
            return M_E;
        } else { // 関数の場合
            return parse_function(funcOrConst, expression, index);
        }
    } else {
        return NAN;
    }
}

// 関数呼び出しを処理する関数
double parse_function(String func, String expr, int &index) {
    double num = 0;
    int start = index + 1;  // '('の次の文字
    int parenCount = 1;
    int i = start;

    while (i < expr.length() && parenCount > 0) {
        if (expr.charAt(i) == '(') parenCount++;
        if (expr.charAt(i) == ')') parenCount--;
        i++;
    }
    if (parenCount != 0) return NAN; // 括弧の不一致

    String subExpr = expr.substring(start, i - 1);

    // 負数の処理
    if (subExpr.startsWith("-")) {
        num = -calculate(subExpr.substring(1));
    } else {
        num = calculate(subExpr);
    }

    index = i;

    // C++の算術関数に対応 (fmodとpowは引数を2つ取るため個別処理)
    if (func == "sin") {
        return sin(num);
    } else if (func == "cos") {
        return cos(num);
    } else if (func == "tan") {
        return tan(num);
    } else if (func == "log") {
        return log10(num);
    } else if (func == "abs") {
        return fabs(num);
    } else if (func == "sqrt") {
        return sqrt(num);
    } else if (func == "exp") {
        return exp(num);
    } else if (func == "floor") {
        return floor(num);
    } else if (func == "ceil") {
        return ceil(num);
    } else if (func == "round") {
        return round(num);
    } else if (func == "trunc") {
        return trunc(num);
    } else if (func == "sinh") {
        return sinh(num);
    } else if (func == "cosh") {
        return cosh(num);
    } else if (func == "tanh") {
        return tanh(num);
    } else if (func == "asin") {
        return asin(num);
    } else if (func == "acos") {
        return acos(num);
    } else if (func == "atan") {
        return atan(num);
    } else if (func == "fmod") {
        index++; // '('を読み飛ばす
        double num2 = calculate(expr.substring(index));
        while (index < expr.length() && expr.charAt(index) != ')') {
            index++;
        }
        index++; // ')'を読み飛ばす
        return fmod(num, num2);
    } else if (func == "pow") {
        index++; // '('を読み飛ばす
        double num2 = calculate(expr.substring(index));
        while (index < expr.length() && expr.charAt(index) != ')') {
            index++;
        }
        index++; // ')'を読み飛ばす
        return pow(num, num2);
    } else if (func == "fact") {
        return factorial(num);
    } else if (func == "random") { // 乱数を返す
        return distribution(generator);
    } else {
        return NAN; // 無効な関数
    }
}

// 画面描画
void drawScreen() {
  canvas.fillScreen(TFT_BLACK);
  canvas.setTextColor(TFT_WHITE);

  // 入力欄
  canvas.drawString(input_string, 10, 30, font_num);

  // 結果表示
  if (show_result) {
    double result = calculate(input_string);
    String result_string = String(result);
    canvas.drawString(result_string, 10, 50, font_num);
  }

  canvas.pushSprite(0, 0);
}

// セットアップ
void setup() {
    auto cfg = M5.config();
    M5Cardputer.begin(cfg, true);
    M5Cardputer.Display.setRotation(1);
    M5Cardputer.Display.setTextSize(0.5);
    M5Cardputer.Display.drawRect(0, 0, M5Cardputer.Display.width(),
                                 M5Cardputer.Display.height() - 28, TFT_BLUE);
    M5Cardputer.Display.setTextFont(&fonts::FreeSerifBoldItalic18pt7b);

    M5Cardputer.Display.fillRect(0, M5Cardputer.Display.height() - 4,
                                 M5Cardputer.Display.width(), 4, TFT_BLUE);

    canvas.setTextFont(&fonts::FreeSerifBoldItalic18pt7b);
    canvas.setTextSize(0.5);
    canvas.createSprite(M5Cardputer.Display.width() - 8,
                        M5Cardputer.Display.height() - 36);
    canvas.setTextScroll(true);
    canvas.setTextColor(TFT_CYAN);  // シアン色のテキスト
    canvas.println("Press Key and Enter to Input Text");
    canvas.pushSprite(4, 4);
    M5Cardputer.Display.drawString(input_string, 4, M5Cardputer.Display.height() - 24);

    drawScreen();
}

// メインループ
void loop() {
    M5Cardputer.update();

    if (M5Cardputer.Keyboard.isChange()) {
        if (M5Cardputer.Keyboard.isPressed()) {
            Keyboard_Class::KeysState status = M5Cardputer.Keyboard.keysState();

            for (auto i : status.word) {
                input_string += i;
            }

            if (status.del) {
                input_string.remove(input_string.length() - 1);
            }

            if (status.enter) {
                canvas.println(input_string + " = " + calculate(input_string));
                input_string.remove(0, 2);
                canvas.pushSprite(4, 4);
                show_result = !show_result;
                if (show_result) {
                    input_string = ""; // 結果表示後に入力欄をクリア
                }
            }

            M5Cardputer.Display.fillRect(0, M5Cardputer.Display.height() - 28, M5Cardputer.Display.width(), 25, TFT_NAVY);
            M5Cardputer.Display.setTextColor(TFT_CYAN);
            M5Cardputer.Display.drawString(input_string, 4, M5Cardputer.Display.height() - 24);
        }
    }
}