Вы создаете переменную, которая может указывать на кольцевой буфер (*cb), но ни в коем случае вы на самом деле не указываете ее на кольцевой буфер.

Либо вам нужно создать новый циклический буфер, либо не создавать указатель, а создать статически выделенный циклический буфер. Последний метод является предпочтительным.

Просто удалите * из вашего объявления cb, которое создает стандартную структурную переменную, затем возьмите ее адрес (с &) для передачи в качестве указателя на другие ваши функции. Или измените другие функции, чтобы они передавались по ссылке.

Например:

circular_buffer *cb;

становится

circular_buffer cb;

А потом

cb_init(cb);

становится:

cb_init(&cb);

Как и все другие функции, которым вы передаете переменную cb.

Кроме того, каждый раз, когда вы проходите через loop(), вы будете стирать и создавать новую переменную circular_buffer . Вместо этого cb действительно должен быть глобальным, а вызов cb_init() должен быть в setup().

С этим кодом связано несколько проблем. Маенко уже показал основное, я добавлю здесь еще несколько.

Во-первых, о реализации циклического буфера. Как было указано в комментарии, для того чтобы буфер считался циклическим, индексы должны обтекаться. Я бы добавил небольшую придирку: в C ++ принято начинать заполнение массива с индекса 0. Таким образом, вы должны постинкрементировать (а не предварительно инкрементировать) индексы:

void cb_push_front(circular_buffer *cb, char item)
{
    cb->buffer_arr[cb->head] = item;
    cb->head++;                            // последующее приращение
    if(cb->head == circular_buffer_size)   // с обтеканием
      cb->head = 0;
}

Однако все еще существует проблема: буфер может переполниться. Вы должны добавлять элемент только в том случае, если для этого есть место. И вы должны удалить элемент только в том случае, если буфер не пуст. Вы знаете, что буфер пуст, когда tail=head , но как вы узнаете, когда он заполнен? Если вы полностью заполните буфер и индексы будут обтекаться так, как должны, вы получите head= tail , и вы не сможете отличить полный буфер от пустого буфера. Есть два способа обойти эту проблему:

• Вы можете сохранить в структуре дополнительную переменную, которая поможет вам определить разницу. Это может быть количество элементов в буфере, или логическое значение, сообщающее вам, когда буфер пуст, или логическое значение, сообщающее вам, когда он заполнен.

• Вы можете воздержаться от полного заполнения массива и считать, что буфер заполнен, когда он заполнен до полной емкости, где “емкость” определяется как размер массива минус единица. Затем буфер заполняется, когда
  (голова + 1) = хвост [по модулю длины массива].

Вот реализация второй стратегии:

void cb_push_front(circular_buffer *cb, char item)
{
    int next_head = cb->head + 1;          // увеличить
    if(next_head >= circular_buffer_size)  // с переносом вокруг
      next_head = 0;
    if(next_head == cb->tail){
      Serial.println("buffer overflow");
      return;
    }
    cb->buffer_arr[cb->head] = item;
    cb->head = next_head;
}

int cb_pop_back(circular_buffer *cb)
{
    if(cb->tail == cb->head) {
      Serial.println("buffer underflow");
      return -1;
    }
    char item = cb->buffer_arr[cb->tail];
    cb->tail++;
    if(cb->tail >= circular_buffer_size)
      cb->tail = 0;
    return item;
}

Обратите внимание, что в cb_pop_back() нет смысла перезаписывать буфер. С другой стороны, часто бывает очень полезно, чтобы эта функция возвращала элемент, который только что был извлечен.

Теперь несколько случайных комментариев:

• Вместо того, чтобы жестко кодировать размер массива (5) в нескольких местах, определите константу в начале программы (circular_buffer_size в моих примерах) и используйте его везде. Это делает более понятным, что означает число, и облегчает изменение размера, если вам когда-нибудь понадобится.

• Поскольку вы храните символы, используйте массив символов.

• Ваш код для обработки Serial плохо справляется с ситуацией , когда существует небольшая задержка между инструкцией 'a' и добавляемым символом. Если вы можете позволить себе блокировать код, самое простое решение - блокировать до тех пор, пока пользователь не предоставит символ:

if(instruction == 'a'){
  while(!Serial.available())
    ;  // дождитесь ввода ключа
  char key = Serial.read();
  cb_push_front(&cb, key);
  Serial.print(key);
  Serial.println(" is entered");
}