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Arduino的現(xiàn)代RTOS和狀態(tài)機(jī)開(kāi)源分享

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資料介紹

傳統(tǒng)的順序 Arduino 編程

傳統(tǒng)的 Arduino 編程模型被稱(chēng)為“順序編程” ，因?yàn)轭A(yù)期的事件序列通常硬編碼在阻塞調(diào)用序列中，這些阻塞調(diào)用排隊(duì)等待預(yù)期事件的到達(dá)。

例如，在標(biāo)準(zhǔn)的 Arduino Blink 示例中，您期望通過(guò)delay()兩次調(diào)用 Arduino 函數(shù)在線等待的兩個(gè)超時(shí)事件序列。

清單 1：Arduino 順序編程示例（標(biāo)準(zhǔn) Arduino Blink 示例）

void loop() {
    digitalWrite(13, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
    delay(1000); // wait for a second
    digitalWrite(13, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW
    delay(1000); // wait for a second
}

這種方法適用于簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但對(duì)于更復(fù)雜的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)擴(kuò)展性很差并且很快變得不可行，在這些項(xiàng)目中你需要同時(shí)做很多事情，例如以不同的速率閃爍第二個(gè) LED。

根本問(wèn)題是，當(dāng)一個(gè)順序程序在等待一種事件（例如，時(shí)間延遲）時(shí)，它不做任何其他工作，也不響應(yīng)其他事件（例如，不同的時(shí)間延遲或按鈕按下） .

Arduino編程無(wú)阻塞

由于這些原因，更有經(jīng)驗(yàn)的 Arduino 程序避免阻塞（或輪詢(xún)）并在線等待事件，例如dealy()函數(shù)。相反，程序僅檢查感興趣的條件（使用顯式if()語(yǔ)句）并僅在檢測(cè)到事件時(shí)處理事件。在任何情況下，Arduinoloop()函數(shù)總是快速返回，這使得程序能夠響應(yīng)其他事件。

這種方法的示例包括使用 Arduinomillis()函數(shù)（例如，參見(jiàn)Arduino 項(xiàng)目“使用 millis() 函數(shù)作為使用 delay() 的替代方法” ）。

清單 2：無(wú)阻塞的 Arduino 編程示例（項(xiàng)目“Using millis() Function as an Alternative to Using delay()” ）

void loop() {
    ms_from_start = millis();
    if (ms_from_start-ms_previous_read_LED1>LED1_interval) {
        ms_previous_read_LED1 = ms_from_start;
        if (LED1_state == 0) LED1_state = 1;
        else LED1_state=0;
        digitalWrite(LED1,LED1_state);
    }
}

非阻塞 Arduino 程序的基本示例是朝著正確方向邁出的一步，因?yàn)榉亲枞a片段是可組合的。可組合意味著您可以在單個(gè) Arduino函數(shù)中將許多此類(lèi)非阻塞代碼片段（無(wú)需修改）組合成代碼。loop()

但是這種方法的主要問(wèn)題是隨著項(xiàng)目復(fù)雜性的增加，嵌套if和else分支的數(shù)量迅速增加。這種架構(gòu)衰退也被稱(chēng)為“意大利面條代碼”問(wèn)題。

此外，簡(jiǎn)單的非阻塞程序沒(méi)有防止中斷和loop()函數(shù)之間共享的全局“輸入”損壞的保護(hù)措施。這會(huì)導(dǎo)致競(jìng)爭(zhēng)條件。

事件驅(qū)動(dòng)的 Arduino 編程

所有這些問(wèn)題的長(zhǎng)期解決方案被稱(chēng)為“事件驅(qū)動(dòng)編程” ，它具有以下特點(diǎn)：

程序內(nèi)的所有通信和同步都由專(zhuān)門(mén)為異步通信設(shè)計(jì)的特殊事件對(duì)象介導(dǎo)。

事件驅(qū)動(dòng)程序自然分為實(shí)際處理事件的應(yīng)用程序和一般等待事件并將它們分派給應(yīng)用程序的監(jiān)督事件驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施（框架）。

控制駐留在事件驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)設(shè)施（框架）中，從應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員的角度來(lái)看，這會(huì)導(dǎo)致控制反轉(zhuǎn)。

應(yīng)用程序代碼必須在不阻塞或輪詢(xún)的情況下處理事件直到完成（一次一個(gè)事件）。

QP/C++ 框架提供了這樣一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，它專(zhuān)為深度嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，例如 Arduino 板。

QP/C++ 可以與各種實(shí)時(shí)內(nèi)核一起使用。在QP-Arduino集成中，QP/C++配置了最簡(jiǎn)單的協(xié)同QV調(diào)度器，軟件采用無(wú)限事件循環(huán)結(jié)構(gòu)，如下圖所示：

QP/C++框架內(nèi)協(xié)同QV調(diào)度器的結(jié)構(gòu)

QV 內(nèi)核設(shè)計(jì)中最重要的元素是存在多個(gè)具有唯一優(yōu)先級(jí)的事件隊(duì)列和分配給每個(gè)隊(duì)列的“活動(dòng)對(duì)象”。隊(duì)列由 QV 調(diào)度程序持續(xù)監(jiān)控，每次通過(guò)循環(huán)時(shí)都會(huì)選擇最高優(yōu)先級(jí)的非空隊(duì)列。調(diào)度器找到隊(duì)列后，從隊(duì)列中提取queue.get()事件（dispatch(e)

QV 內(nèi)核的另一個(gè)特點(diǎn)是它可以很容易地檢測(cè)到?jīng)]有可用事件的情況，在這種情況下系統(tǒng)可以進(jìn)入低功耗睡眠模式。這使您可以實(shí)現(xiàn)更好的電源效率并將 Arduino 軟件應(yīng)用于低功耗、電池供電的應(yīng)用程序。（注意：真正的低功耗還需要適當(dāng)?shù)挠布O(shè)計(jì)。）

分層狀態(tài)機(jī)

除了為軟件組件（稱(chēng)為“活動(dòng)對(duì)象”）的并發(fā)執(zhí)行提供事件驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)設(shè)施外，QP/C++ 框架還提供了現(xiàn)代層次狀態(tài)機(jī)，用于處理活動(dòng)對(duì)象內(nèi)的事件。使用狀態(tài)機(jī)的主要好處是避免了“意大利面條代碼”問(wèn)題。

建模和自動(dòng)代碼生成

最后，QP/C++ 框架和高度結(jié)構(gòu)化的分層狀態(tài)機(jī)編碼方式為可視化建模和自動(dòng)代碼生成提供了基礎(chǔ)。QP-Arduino 集成包含免費(fèi)軟件QM 建模工具，它允許您以圖形方式設(shè)計(jì)活動(dòng)對(duì)象的分層狀態(tài)機(jī)。下面的屏幕截圖顯示了 QP-Arduino 與狀態(tài)機(jī)和代碼集成的示例模型。