Прерывания и многозадачность в Arduino. Как выполнять параллельные задачи (Threads) в программе для Arduino

Вообще говоря, Arduino не поддерживает настоящее распараллеливание задач, или мультипоточность. Но можно при каждом повторении цикла loop() указать микроконтроллеру проверять, не наступило ли время выполнить некую дополнительную, фоновую задачу. При этом пользователю будет казаться, что несколько задач выполняются одновременно.

Например, давайте будем мигать светодиодом с заданной частотой и параллельно этому издавать нарастающие и затихающие подобно сирене звуки из пьезоизлучателя. И светодиод, и пьезоизлучатель мы уже не раз подключали к Arduino. Соберём схему, как показано на рисунке.

Если вы подключаете светодиод к цифровому выводу, отличному от "13", не забывайте о токоограничивающем резисторе примерно на 220 Ом.

2 Управление светодиодом и пьезоизлучателем с помощью оператора delay()

Напишем вот такой скетч и загрузим его в Ардуино.

Const int soundPin = 3; /* объявляем переменную с номером пина, на который подключён пьезоэлемент */ const int ledPin = 13; // объявляем переменную с номером пина светодиода void setup() { pinMode(soundPin, OUTPUT); // объявляем пин 3 как выход. pinMode(ledPin, OUTPUT); // объявляем пин 13 как выход. } void loop() { // Управление звуком: tone(soundPin, 700); // издаём звук на частоте 700 Гц delay(200); tone(soundPin, 500); // на частоте 500 Гц delay(200); tone(soundPin, 300); // на частоте 300 Гц delay(200); tone(soundPin, 200); // на частоте 200 Гц delay(200); // Управление светодиодом: digitalWrite(ledPin, HIGH); // зажигаем delay(200); digitalWrite(ledPin, LOW); // гасим delay(200); }

После включения видно, что скетч выполняется не совсем так как нам нужно: пока полностью не отработает сирена, светодиод не мигнёт, а мы бы хотели, чтобы светодиод мигал во время звучания сирены. В чём же здесь проблема?

Дело в том, что обычным образом эту задачу не решить. Задачи выполняются микроконтроллером строго последовательно. Оператор delay() задерживает выполнение программы на указанный промежуток времени, и пока это время не истечёт, следующие команды программы не будут выполняться. Из-за этого мы не можем задать разную длительность выполнения для каждой задачи в цикле loop() программы. Поэтому нужно как-то сымитировать многозадачность.

3 Параллельные процессы без оператора "delay()"

Вариант, при котором Arduino будет выполнять задачи псевдо-параллельно, предложен разработчиками Ардуино . Суть метода в том, что при каждом повторении цикла loop() мы проверяем, настало ли время мигать светодиодом (выполнять фоновую задачу) или нет. И если настало, то инвертируем состояние светодиода. Это своеобразный вариант обхода оператора delay() .

Const int soundPin = 3; // переменная с номером пина пьезоэлемента const int ledPin = 13; // переменная с номером пина светодиода const long ledInterval = 200; // интервал мигания светодиодом, мсек. int ledState = LOW; // начальное состояние светодиода unsigned long previousMillis = 0; // храним время предыдущего срабатывания светодиода void setup() { pinMode(soundPin, OUTPUT); // задаём пин 3 как выход. pinMode(ledPin, OUTPUT); // задаём пин 13 как выход. } void loop() { // Управление звуком: tone(soundPin, 700); delay(200); tone(soundPin, 500); delay(200); tone(soundPin, 300); delay(200); tone(soundPin, 200); delay(200); // Мигание светодиодом: // время с момента включения Arduino, мсек: unsigned long currentMillis = millis(); // Если время мигать пришло, if (currentMillis - previousMillis >= ledInterval) { previousMillis = currentMillis; // то запоминаем текущее время if (ledState == LOW) { // и инвертируем состояние светодиода ledState = HIGH; } else { ledState = LOW; } digitalWrite(ledPin, ledState); // переключаем состояние светодиода } }

Существенным недостатком данного метода является то, что участок кода перед блоком управления светодиодом должен выполняться быстрее, чем интервал времени мигания светодиода "ledInterval". В противном случае мигание будет происходить реже, чем нужно, и эффекта параллельного выполнения задач мы не получим. В частности, в нашем скетче длительность изменения звука сирены составляет 200+200+200+200 = 800 мсек, а интервал мигания светодиодом мы задали 200 мсек. Но светодиод будет мигать с периодом 800 мсек, что в 4 раза больше того, что мы задали.

Вообще, если в коде используется оператор delay() , в таком случае трудно сымитировать псевдо-параллельность, поэтому желательно его избегать.

В данном случае нужно было бы для блока управления звуком сирены также проверять, пришло время или нет, а не использовать delay() . Но это бы увеличило количество кода и ухудшило читаемость программы.

4 Использование библиотеки ArduinoThread для создания параллельных потоков

Чтобы решить поставленную задачу, воспользуемся замечательной библиотекой ArduinoThread , которая позволяет с лёгкостью создавать псевдо-параллельные процессы. Она работает похожим образом, но позволяет не писать код по проверке времени - нужно выполнять задачу в этом цикле или не нужно. Благодаря этому сокращается объём кода и улучшается читаемость скетча. Давайте проверим библиотеку в действии.

Первым делом скачаем с официального сайта архив библиотеки и разархивируем его в директорию libraries/ среды разработки Arduino IDE. Затем переименуем папку ArduinoThread-master в ArduinoThread .

Схема подключений останется прежней. Изменится лишь код программы.

#include // подключение библиотеки ArduinoThread const int soundPin = 3; // переменная с номером пина пьезоэлемента const int ledPin = 13; // переменная с номером пина светодиода Thread ledThread = Thread(); // создаём поток управления светодиодом Thread soundThread = Thread(); // создаём поток управления сиреной void setup() { pinMode(soundPin, OUTPUT); // объявляем пин 3 как выход. pinMode(ledPin, OUTPUT); // объявляем пин 13 как выход. ledThread.onRun(ledBlink); // назначаем потоку задачу ledThread.setInterval(1000); // задаём интервал срабатывания, мсек soundThread.onRun(sound); // назначаем потоку задачу soundThread.setInterval(20); // задаём интервал срабатывания, мсек } void loop() { // Проверим, пришло ли время переключиться светодиоду: if (ledThread.shouldRun()) ledThread.run(); // запускаем поток // Проверим, пришло ли время сменить тональность сирены: if (soundThread.shouldRun()) soundThread.run(); // запускаем поток } // Поток светодиода: void ledBlink() { static bool ledStatus = false; // состояние светодиода Вкл/Выкл ledStatus = !ledStatus; // инвертируем состояние digitalWrite(ledPin, ledStatus); // включаем/выключаем светодиод } // Поток сирены: void sound() { static int ton = 100; // тональность звука, Гц tone(soundPin, ton); // включаем сирену на "ton" Гц if (ton }

В программе мы создаём два потока - ledThread и soundThread , каждый выполняет свою операцию: один мигает светодиодом, второй управляет звуком сирены. В каждой итерации цикла для каждого потока проверяем, пришло ли время его выполнения или нет. Если пришло - он запускается на исполнение с помощью метода run() . Главное - не использовать оператор delay() . В коде даны более подробные пояснения.

Загрузим код в память Ардуино, запустим. Теперь всё работает в точности так, как надо!

В ходе реализации проекта может потребоваться несколько прерываний, но если каждое из них будет иметь максимальный приоритет, то фактически его не будет ни у одной из функций. По этой же причине не рекомендуется использовать более десятка прерываний.

Обработчики должны применяться только к тем процессам, которые имеют максимальную чувствительность ко временным интервалам. Не стоит забывать, что пока программа находится в обработчике прерывания – все другие прерывания отключены. Большое количество прерываний ведет к ухудшению их ответа.

В момент, когда действует одно прерывание, а остальные отключаются, возникает два важных нюанса, которые должен учитывать схемотехник. Во-первых, время прерывание должно быть максимально коротким.

Это позволит не пропустить все остальные запланированные прерывания. Во-вторых, при обработке прерывания программный код не должен требовать активности от других прерываний. Если этого не предотвратить, то программа просто зависнет.

Не стоит использовать длительную обработку в loop() , лучше разработать код для обработчика прерывания с установкой переменной volatile. Она подскажет программе, что дальнейшая обработка не нужна.

Если вызов функции Update() все же необходим, то предварительно необходимо будет проверить переменную состояния. Это позволит выяснить, необходима ли последующая обработка.

Перед тем, как заняться конфигурацией таймера, следует произвести проверку кода. Таймеры Anduino стоит отнести к ограниченным ресурсам, ведь их всего три, а применяются они для выполнения самых разных функций. Если запутаться с использованием таймеров, то ряд операций может просто перестать работать.

Какими функциями оперирует тот или иной таймер?

Для микроконтроллера Arduino Uno у каждого из трех таймеров свои операции.

Так Timer0 отвечает за ШИМ на пятом и шестом пине, функции millis() , micros() , delay() .

Другой таймер – Timer1, используется с ШИМ на девятом и десятом пине, с библиотеками WaveHC и Servo.

Timer2 работает с ШИМ на 11 и 13 пинах, а также с Tone .

Схемотехник должен позаботиться о безопасном использовании обрабатываемых совместно данных. Ведь прерывание останавливает на миллисекунду все операции процессора, а обмен данных между loop() и обработчиками прерываний должен быть постоянным. Может возникнуть ситуация, когда компилятор ради достижения своей максимальной производительности начнет оптимизацию кода.

Результатом этого процесса будет сохранение в регистре копии основных переменных кода, что позволит обеспечить максимальную скорость доступа к ним.

Недостатком этого процесса может стать подмена реальных значений сохраненными копиями, что может привести к потере функциональности.

Чтобы этого не произошло нужно использовать переменную voltatile , которая поможет предотвратить ненужные оптимизации. При использовании больших массивов, которым требуются циклы для обновлений, нужно отключить прерывания на момент этих обновлений.

Оптимизируйте ваши программы для Arduino с помощью прерываний - простого способа для реагирования на события в режиме реального времени!

Мы прерываем нашу передачу...

Как выясняется, существует отличный (но недостаточно часто используемый) механизм, встроенный во все Arduino, который идеально подходит для отслеживания событий в режиме реального времени. Данный механизм называется прерыванием. Работа прерывания заключается в том, чтобы убедиться, что процессор быстро отреагирует на важные события. При обнаружении определенного сигнала прерывание (как и следует из названия) прерывает всё, что делал процессор, и выполняет некоторый код, предназначенный для реагирования на вызвавшую его внешнюю причину, воздействующую на Arduino. После того, как этот код будет выполнен, процессор возвращается к тому, что он изначально делал, как будто ничего не случилось!

Что в этом удивительного, так это то, что прерывания позволяют организовать вашу программу так, чтобы быстро и эффективно реагировать на важные события, которые не так легко предусмотреть в цикле программы. И лучше всего это то, что прерывания позволяют процессору заниматься другими делами, а тратить время на ожидание события.

Прерывания по кнопке

Начнем с простого примера: использования прерывания для отслеживания нажатия кнопки. Для начала, мы возьмем скетч, который вы, вероятно, уже видели: пример « Button », включенный в Arduino IDE (вы можете найти его в каталоге « Примеры », проверьте меню Файл → Примеры → 02. Digital → Button).

Const int buttonPin = 2; // номер вывода с кнопкой const int ledPin = 13; // номер вывода со светодиодом int buttonState = 0; // переменная для чтения состояния кнопки void setup() { // настроить вывод светодиода на выход: pinMode(ledPin, OUTPUT); // настроить вывод кнопки на вход: pinMode(buttonPin, INPUT); } void loop() { // считать состояние кнопки: buttonState = digitalRead(buttonPin); // проверить нажата ли кнопка. // если нажата, то buttonState равно HIGH: if (buttonState == HIGH) { // включить светодиод: digitalWrite(ledPin, HIGH); } else { // погасить светодиод: digitalWrite(ledPin, LOW); } }

В том, что вы видите здесь, нет ничего шокирующего и удивительного: всё, что программа делает снова и снова, это прохождение через цикл loop() и чтение значения buttonPin . Предположим на секунду, что вы хотели бы сделать в loop() что-то еще, что-то большее, чем просто чтение состояния вывода. Вот здесь и пригодится прерывание. Вместо того, чтобы постоянно наблюдать за состоянием вывода, мы можем поручить эту работу прерыванию и освободить loop() для выполнения в это время того, что нам необходимо! Новый код будет выглядеть следующим образом:

Const int buttonPin = 2; // номер вывода с кнопкой const int ledPin = 13; // номер вывода со светодиодом volatile int buttonState = 0; // переменная для чтения состояния кнопки void setup() { // настроить вывод светодиода на выход: pinMode(ledPin, OUTPUT); // настроить вывод кнопки на вход: pinMode(buttonPin, INPUT); // прикрепить прерывание к вектору ISR attachInterrupt(0, pin_ISR, CHANGE); } void loop() { // Здесь ничего нет! } void pin_ISR() { buttonState = digitalRead(buttonPin); digitalWrite(ledPin, buttonState); }

Циклы и режимы прерываний

Здесь вы заметите несколько изменений. Первым и самым очевидным из них является то, что loop() теперь не содержит никаких инструкций! Мы можем обойтись без них, так как вся работа, которая ранее выполнялась в операторе if/else , теперь выполняется в новой функции pin_ISR() . Этот тип функций называется обработчиком прерывания: его работа состоит в том, чтобы быстро запуститься, обработать прерывание и позволить процессору вернуться обратно к основной программе (то есть к содержимому loop()). При написании обработчика прерывания следует учитывать несколько важных моментов, отражение которых вы можете увидеть в приведенном выше коде:

обработчики должны быть короткими и лаконичными. Вы ведь не хотите прерывать основной цикл надолго!
у обработчиков нет входных параметров и возвращаемых значений. Все изменения должны быть выполнены на глобальных переменных.

Вам, наверное, интересно: откуда мы знаем, когда запустится прерывание? Что его вызывает? Третья функция, вызываемая в функции setup() , устанавливает прерывание для всей системы. Данная функция, attachInterrupt() , принимает три аргумента:

вектор прерывания, который определяет, какой вывод может генерировать прерывание. Это не сам номер вывода, а ссылка на место в памяти, за которым процессор Arduino должен наблюдать, чтобы увидеть, не произошло ли прерывание. Данное пространство в этом векторе соответствует конкретному внешнему выводу, и не все выводы могут генерировать прерывание! На Arduino Uno генерировать прерывания могут выводы 2 и 3 с векторами прерываний 0 и 1, соответственно. Для получения списка выводов, которые могут генерировать прерывания, смотрите документацию на функцию attachInterrupt для Arduino ;
имя функции обработчика прерывания: определяет код, который будет запущен при совпадении условия срабатывания прерывания;
режим прерывания, который определяет, какое действие на выводе вызывает прерывание. Arduino Uno поддерживает четыре режима прерывания:
- RISING - активирует прерывание по переднему фронту на выводе прерывания;
- FALLING - активирует прерывание по спаду;
- CHANGE - реагирует на любое изменение значения вывода прерывания;
- LOW - вызывает всякий раз, когда на выводе низкий уровень.

И резюмируя, наша настройка attachInterrupt() соответствует отслеживанию вектора прерывания 0 (вывод 2), чтобы отреагировать на прерывание с помощью pin_ISR() , и вызвать pin_ISR() всякий раз, когда произойдет изменение состояния на выводе 2.

Volatile

Еще один момент, на который стоит указать: наш обработчик прерывания использует переменную buttonState для хранения состояния вывода. Проверьте определение buttonState: вместо типа int , мы определили его, как тип volatile int . В чем же здесь дело? volatile является ключевым словом языка C, которое применяется к переменным. Оно означает, что значение переменной находится не под полным контролем программы. То есть значение buttonState может измениться и измениться на что-то, что сама программа не может предсказать - в этом случае, пользовательский ввод.

Еще одна полезная вещь в ключевом слове volatile заключается в защите от любой случайной оптимизации. Компиляторы, как выясняется, выполняют еще несколько дополнительных задач при преобразовании исходного кода программы в машинный исполняемый код. Одной из этих задач является удаление неиспользуемых в исходном коде переменных из машинного кода. Так как переменная buttonState не используется или не вызывается напрямую в функциях loop() или setup() , существует риск того, что компилятор может удалить её, как неиспользуемую переменную. Очевидно, что это неправильно - нам необходима эта переменная! Ключевое слово volatile обладает побочным эффектом, сообщая компилятору, что эту переменную необходимо оставить в покое.

Удаление неиспользуемых переменных из кода - это функциональная особенность, а не баг компиляторов. Люди иногда оставляют в коде неиспользуемые переменные, которые занимают память. Это не такая большая проблема, если вы пишете программу на C для компьютера с гигабайтами оперативной памяти. Однако, на Arduino оперативная память ограничена, и вы не хотите тратить её впустую! Даже C компиляторы для компьютеров будут поступать точно так же, несмотря на массу доступной системной памяти. Зачем? По той же причине, по которой люди убирают за собой после пикника - это хорошая практика, не оставлять после себя мусор.

Подводя итоги

Прерывания - это простой способ заставить вашу систему быстрее реагировать на чувствительные к времени задачи. Они также обладают дополнительным преимуществом - освобождением главного цикла loop() , что позволяет сосредоточить в нем выполнение основной задачи системы (я считаю, что использование прерываний, как правило, позволяет сделать мой код немного более организованным: проще увидеть, для чего разработан основной кусок кода, и какие периодические события обрабатываются прерываниями). Пример, показанный здесь, - это самый базовый случай использования прерываний; вы можете использовать для чтения данных с I2C устройства, беспроводных передачи и приема данных, или даже для запуска или остановки двигателя.

Есть какие-нибудь крутые проекты с прерываниями? Оставляйте комментарии ниже!

2 Управление светодиодом и пьезоизлучателем с помощью оператора delay()

Напишем вот такой скетч и загрузим его в Ардуино.

3 Параллельные процессы без оператора "delay()"

4 Использование библиотеки ArduinoThread для создания параллельных потоков

Схема подключений останется прежней. Изменится лишь код программы.

Загрузим код в память Ардуино, запустим. Теперь всё работает в точности так, как надо!

Задержки в Ардуино играют очень большую роль. Без них не сможет работать даже самый простой пример Blink, который моргает светодиодом через заданный промежуток времени. Но большинство начинающих программистов мало знают о временных задержках и используют только Arduino delay, не зная побочных эффектов этой команды. В этой статье я подробно расскажу о временных функциях и особенностях их использования в среде разработки Arduino IDE.

В Arduino cуществует несколько различных команд, которые отвечают за работу со временем и паузы:

delay()
delayMicroseconds()
millis()
micros()

Они отличаются по точности и имеют свои особенности, которые стоит учитывать при написании кода.

Использование функции arduino delay

Синтаксис

Ардуино delay является самой простой командой и её чаще всего используют новички. По сути она является задержкой, которая приостанавливает работу программы, на указанное в скобках число миллисекунд. (В одной секунде 1000 миллисекунд.) Максимальное значение может быть 4294967295 мс, что примерно ровняется 50 суткам. Давайте рассмотрим простой пример, наглядно показывающий работу этой команды.

Void setup() { pinMode(13, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(13, HIGH); // подаем высокий сигнал на 13 пин delay(10000); // пауза 10000мс или 10 секунд digitalWrite13, LOW); // подаем низкий сигнал на 13 пин delay(10000); // пауза 10000мс или 10 секунд }

В методе setup прописываем, что пин 13 будет использоваться, как выход. В основной части программы сначала на пин подается высокий сигнал, затем делаем задержку в 10 секунд. На это время программа как бы приостанавливается. Дальше подается низкий сигнал и опять задержка и все начинается сначала. В итоге мы получаем, что на пин поочередно подается, то 5 В, то 0.

Нужно отчетливо понимать, что на время паузы с помощью delay работа программы приостанавливается, приложение не будет получать никаких данных с датчиков. Это является самым большим недостатком использования функции delay в Arduino. Обойти это ограничения можно с помощью прерываний, но об этом мы поговорим в отельной статье.

Пример delay с миганием светодиодом

Пример схемы для иллюстрации работы функции delay.
Можно построить схему со светодиодом и резистором. Тогда у нас получится стандартный пример – мигание светодиодом. Для этого на пин, который мы обозначили как выходной, необходимо подключить светодиод плюсовым контактом. Свободную ногу светодиода через резистор приблизительно на 220 Ом (можно немного больше) подключаем на землю. Определить полярность можно, если посмотреть на его внутренности. Большая чашечка внутри соединена с минусом, а маленькая ножка с плюсом. Если ваш светодиод новый, то определить полярность можно по длине выводов: длинная ножка – плюс, короткая – минус.

Функция delayMicroseconds

Данная функция является полным аналогом delay за исключением того, что единицы измерения у нее не миллисекунды, а микросекунды (в 1 секунде – 1000000 микросекунд). Максимальное значение будет 16383, что равно 16 миллисекундам. Разрешение равно 4, то есть число будет всегда кратно четырем. Кусочек примера будет выглядеть следующим образом:

DigitalWrite(2, HIGH); // подаем высокий сигнал на 2 пин delayMicroseconds(16383); // пауза 16383мкс digitalWrite(2, LOW); // подаем низкий сигнал на 2 пин delayMicroseconds(16383); // пауза 16383мкс

Проблема с delayMicroseconds точно такая же, как у delay – эти функции полностью «вешают» программу и она на некоторое время буквально замирает. В это время невозможна работа с портами, считывание информации с датчиков и произведение математических операций. Для мигалок данный вариант подходит, но опытные пользователи не используют её для больших проектов, так как там не нужны такие сбои. Поэтому, гораздо лучше использовать функции, описанные ниже.

Функция millis вместо delay

Функция millis() позволит выполнить задержку без delay на ардуино, тем самым обойти недостатки предыдущих способов. Максимальное значение параметра millis такое же, как и у функции delay (4294967295мс или 50 суток).

С помощью millis мы не останавливаем выполнение всего скетча, а просто указываем, сколько времени ардуино должна просто “обходить” именно тот блок кода, который мы хотим приостановить. В отличие от delay millis сама по себе ничего не останавливает. Данная команда просто возвращает нам от встроенного таймера микроконтроллера количество миллисекунд, прошедших с момента запуска. При каждом вызове loop Мы сами измеряем время, прошедшее с последнего вызова нашего кода и если разница времени меньше желаемой паузы, то игнорируем код. Как только разница станет больше нужной паузы, мы выполняем код, получаем текущее время с помощью той же millis и запоминаем его – это время будет новой точкой отсчета. В следующем цикле отсчет уже будет от новой точки и мы опять будем игнорировать код, пока новая разница millis и нашего сохраненного прежде значения не достигнет вновь желаемой паузы.

Задержка без delay с помощью millis требует большего кода, но с ее помощью можно моргать светодиодом и ставить на паузу скетч, не останавливая при этом систему.

Вот пример, наглядно иллюстрирующий работу команды:

Unsigned long timing; // Переменная для хранения точки отсчета void setup() { Serial.begin(9600); } void loop() { /* В этом месте начинается выполнение аналога delay() Вычисляем разницу между текущим моментом и ранее сохраненной точкой отсчета. Если разница больше нужного значения, то выполняем код. Если нет - ничего не делаем */ if (millis() - timing > 10000){ // Вместо 10000 подставьте нужное вам значение паузы timing = millis(); Serial.println ("10 seconds"); } }

Сначала мы вводим переменную timing, в ней будет храниться количество миллисекунд. По умолчанию значение переменной равно 0. В основной части программы проверяем условие: если количество миллисекунд с запуска микроконтроллера минус число, записанное в переменную timing больше, чем 10000, то выполняется действие по выводу сообщения в монитор порта и в переменную записывается текущее значение времени. В результате работы программы каждые 10 секунд в монитор порта будет выводиться надпись 10 seconds. Данный способ позволяет моргать светодиодом без delay.

Функция micros вместо delay

Данная функция так же может выполнить задержку, не используя команду delay. Она работает точно так же, как и millis, но считает не миллисекунды, а микросекунды с разрешением в 4мкс. Её максимальное значение 4294967295 микросекунд или 70 минут. При переполнении значение просто сбрасывается в 0, не забывайте об этом.

Резюме

Платформа Arduino предоставляет нам несколько способов выполнения задержки в своем проекте. С помощью delay вы можете быстро поставить на паузу выполнение скетча, но при этом заблокируете работу микроконтроллера. Использование команды millis позволяет обойтись в ардуино без delay, но для этого потребуется чуть больше программировать. Выбирайте лучший способ в зависимости от сложности вашего проекта. Как правило, в простых скетчах и при задержке меньше 10 секунд используют delay. Если логика работы сложнее и требуется большая задержка, то вместо delay лучше использовать millis.