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玩兒大了~給arduino上操作系統(tǒng)了~！

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ID:112317 發(fā)表于 2016-4-9 20:08 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
恩。。好久沒發(fā)帖了，不過這幾天也沒閑著
前幾天我在求助區(qū)發(fā)了個關(guān)于定時器的問題，結(jié)果沒有讓我滿意的答案
于是自己百度+谷歌，終于找到了一個非常強大的庫--ProtoThreads！
一個非常強大的多任務庫，非常適合arduino這種資源非常有限的單片機
別急，先上一段簡單的代碼look look
  1.     #include <pt.h>
  2.      
  3.     static int counter1,counter2,state1=0,state2=0;
  4.      
  5.     static int protothread1(struct pt *pt)
  6.     {  
  7.       PT_BEGIN(pt);  
  8.       while(1)
  9.       {  
  10.         PT_WAIT_UNTIL(pt, counter1==1);
  11.         digitalWrite(12,state1);
  12.         state1=!state1;
  13.         counter1=0;   
  14.       }
  15.       PT_END(pt);
  16.     }
  17.      
  18.      
  19.     static int protothread2(struct pt *pt)
  20.     {
  21.       PT_BEGIN(pt);
  22.       while(1) {   
  23.         PT_WAIT_UNTIL(pt, counter2==5);
  24.         counter2=0;
  25.         digitalWrite(13,state2);
  26.         state2=!state2;
  27.       }
  28.       PT_END(pt);
  29.     }
  30.      
  31.      
  32.     static struct pt pt1, pt2;
  33.     void setup()
  34.     {
  35.      
  36.       pinMode(12,OUTPUT);
  37.       pinMode(13,OUTPUT);
  38.       PT_INIT(&pt1);
  39.       PT_INIT(&pt2);
  40.     }
  41.      
  42.     void loop ()
  43.     {
  44.         protothread1(&pt1);
  45.         protothread2(&pt2);
  46.         delay(1000);
  47.         counter1++;
  48.         counter2++;
  49.       }
復制代碼

此段代碼演示了如何使用PT庫來實現(xiàn)12、13腳led分別隔1秒、5秒閃爍，已經(jīng)在arduino09上測試通過
sorry，無注釋。。別急，這只是個演示
這篇文章會不斷更新，分別講述PT庫的原理和應用
讓大家能開發(fā)出更復雜的程序

好介紹開始了~
Protothread是專為資源有限的系統(tǒng)設計的一種耗費資源特別少并且不使用堆棧的線程模型，其特點是：  
◆ 以純C語言實現(xiàn)，無硬件依賴性；  
◆ 極少的資源需求，每個Protothread僅需要2個額外的字節(jié)；  
◆ 可以用于有操作系統(tǒng)或無操作系統(tǒng)的場合；  
◆ 支持阻塞操作且沒有棧的切換。
使用Protothread實現(xiàn)多任務的最主要的好處在于它的輕量級。每個Protothread不需要擁有自已的堆棧，所有的Protothread 共享同一個堆棧空間，這一點對于RAM資源有限的系統(tǒng)尤為有利。相對于操作系統(tǒng)下的多任務而言，每個任務都有自已的堆棧空間，這將消耗大量的RAM資源，而每個Protothread僅使用一個整型值保存當前狀態(tài)。  
咱們來結(jié)合一個最簡單的例子來理解ProtoThreads的原理吧，就拿上面的閃爍燈代碼來說
  1.     #include <pt.h>//ProtoThreads必須包含的頭文件

  3.     static int counter1,counter2,state1=0,state2=0; //counter為定時計數(shù)器，state為每個燈的狀態(tài)

  5.     static int protothread1(struct pt *pt) //線程1，控制燈1
  6.     {  
  7.       PT_BEGIN(pt);  //線程開始
  8.       while(1) //每個線程都不會死
  9.       {  
  10.         PT_WAIT_UNTIL(pt, counter1==1); //如果時間滿了1秒，則繼續(xù)執(zhí)行，否則記錄運行點，退出線程1
  11.         digitalWrite(12,state1);
  12.         state1=!state1;//燈狀態(tài)反轉(zhuǎn)
  13.         counter1=0; //計數(shù)器置零
  14.       }
  15.       PT_END(pt); //線程結(jié)束
  16.     }


  19.     static int protothread2(struct pt *pt) //線程2，控制燈2
  20.     {
  21.       PT_BEGIN(pt); //線程開始
  22.       while(1) {    //每個線程都不會死
  23.         PT_WAIT_UNTIL(pt, counter2==5); //如果時間滿了5秒，則繼續(xù)執(zhí)行，否則記錄運行點，退出線程2
  24.         counter2=0;  //計數(shù)清零
  25.         digitalWrite(13,state2);
  26.         state2=!state2; //燈狀態(tài)反轉(zhuǎn)
  27.       }
  28.       PT_END(pt);  //線程結(jié)束
  29.     }


  32.     static struct pt pt1, pt2;
  33.     void setup()
  34.     {

  36.       pinMode(12,OUTPUT);
  37.       pinMode(13,OUTPUT);
  38.       PT_INIT(&pt1);  //線程1初始化
  39.       PT_INIT(&pt2);  //線程2初始化
  40.     }

  42.     void loop () //這就是進行線程調(diào)度的地方
  43.     {
  44.         protothread1(&pt1);  //執(zhí)行線程1
  45.         protothread2(&pt2);  //執(zhí)行線程2
  46.         delay(1000);  //時間片，每片1秒，可根據(jù)具體應用設置大小
  47.         counter1++;
  48.         counter2++;
  49.       }
復制代碼

看上面的代碼，你會發(fā)現(xiàn)很多大寫的函數(shù)，其實那些都是些宏定義（宏定義用大寫是約定俗成的..)，如果把這些宏都展開你就能更好的理解他的原理了：
  1.     #include <pt.h>//ProtoThreads必須包含的頭文件

  3.     static int counter1,counter2,state1=0,state2=0; //counter為定時計數(shù)器，state為每個燈的狀態(tài)

  5.     static int protothread1(struct pt *pt) //線程1，控制燈1
  6.     {  
  7.       { char PT_YIELD_FLAG = 1;
  8.                     switch((pt)->lc) {//用switch來選擇運行點
  9.                      case 0: //此乃初始運行點，線程正常退出或剛開始都從這開始運行
  10.                                     while(1) //每個線程都不會死
  11.                                     {
  12.                                             do {      
  13.                                                             (pt)->lc=12;//記錄運行點
  14.                                                             case 12:
  15.                                                                     if(!(counter1==1))
  16.                                                                     {
  17.                                                                             return PT_WAITING;        //return 0
  18.                                                                     }                                               
  19.                                             } while(0)
  20.                                             digitalWrite(12,state1);
  21.                                             state1=!state1;//燈狀態(tài)反轉(zhuǎn)
  22.                                             counter1=0; //計數(shù)器置零
  23.                                     }
  24.                     }
  25.       PT_YIELD_FLAG = 0;
  26.       pt->lc=0;
  27.       return PT_ENDED; // return 1
  28.       }
  29.     }


  32.     static int protothread2(struct pt *pt) //線程2，控制燈2
  33.     {
  34.       { char PT_YIELD_FLAG = 1;
  35.                     switch((pt)->lc) {//用switch來選擇運行點
  36.                      case 0:     //線程開始
  37.                                     while(1) //每個線程都不會死
  38.                                     {
  39.                                             do {      
  40.                                                             (pt)->lc=39;
  41.                                                             case 39://記錄運行點
  42.                                                                     if(!(counter2==5))
  43.                                                                     {
  44.                                                                             return PT_WAITING;        //return 0
  45.                                                                     }                                               
  46.                                             } while(0)
  47.                                             counter2=0;  //計數(shù)清零
  48.                                             digitalWrite(13,state2);
  49.                                             state2=!state2; //燈狀態(tài)反轉(zhuǎn)
  50.                                     }
  51.                     }
  52.                     PT_YIELD_FLAG = 0;
  53.                     pt->lc=0;
  54.                     return PT_ENDED; // return 1
  55.             }
  56.     }


  59.     static struct pt pt1, pt2;
  60.     void setup()
  61.     {

  63.       pinMode(12,OUTPUT);
  64.       pinMode(13,OUTPUT);
  65.       pt1->lc=0;  //線程1初始化
  66.       pt2->lc=0;  //線程2初始化
  67.     }

  69.     void loop () //這就是進行線程調(diào)度的地方
  70.     {
  71.         protothread1(&pt1);  //執(zhí)行線程1
  72.         protothread2(&pt2);  //執(zhí)行線程2
  73.         delay(1000);  //時間片，每片1秒，可根據(jù)具體應用設置大小
  74.         counter1++;
  75.         counter2++;
  76.       }
復制代碼

好了，終于擴展完了。。
  分析一下上面的代碼，就知道其實ProtoThreads是利用switch case 來選擇運行點的，每個線程中的堵塞，其實就是判斷條件是否成立，不成立則return，所以說每個線程都很有雷鋒精神，舍己為人，呵呵。有一點要注意那就是每個線程只能夠在我們指定的地方堵塞，至于堵塞點，那就要看具體應用了。
  由于線程是反復被調(diào)用的，因此，寫程序的時候不能像寫一般的函數(shù)一樣使用局部變量，因為每次重新調(diào)用都會把變量初始化了，如果要保持變量，可以把它定義為static的
  在pt.h中定義了很多功能：
PT_INIT(pt)   初始化任務變量，只在初始化函數(shù)中執(zhí)行一次就行
PT_BEGIN(pt)   啟動任務處理，放在函數(shù)開始處
PT_END(pt)   結(jié)束任務，放在函數(shù)的最后
PT_WAIT_UNTIL(pt, condition) 等待某個條件（條件可以為時鐘或其它變量，IO等）成立，否則直接退出本函數(shù)，下一次進入本     函數(shù)就直接跳到這個地方判斷
PT_WAIT_WHILE(pt, condition)  和上面一個一樣，只是條件取反了
PT_WAIT_THREAD(pt, thread) 等待一個子任務執(zhí)行完成
PT_SPAWN(pt, child, thread) 新建一個子任務，并等待其執(zhí)行完退出
PT_RESTART(pt)   重新啟動某個任務執(zhí)行
PT_EXIT(pt)   任務后面的部分不執(zhí)行，直接退出重新執(zhí)行
PT_YIELD(pt)   鎖死任務
PT_YIELD_UNTIL(pt, cond) 鎖死任務并在等待條件成立，恢復執(zhí)行
在pt中一共定義四種線程狀態(tài)，在任務函數(shù)退出到上一級函數(shù)時返回其狀態(tài)
PT_WAITING  等待
PT_EXITED  退出
PT_ENDED  結(jié)束
PT_YIELDED  鎖死

比如PT_WAIT_UNTIL(pt, condition) ，通過改變condition可以運用的非常靈活，如結(jié)合定時器的庫，把condition改為定時器溢出，那就是個時間觸發(fā)系統(tǒng)了，再把condition改為其他條件，就是事件觸發(fā)系統(tǒng)了
暫時寫這么多吧
***2014.3.16  這里有一另一篇關(guān)于protothread的文章，寫的挺好，感謝網(wǎng)友vincent_jie 的推薦：
http://www.kankanews.com/ICkengine/archives/107079.shtml



Devuino代表在 Arduino基礎上的開發(fā)平臺，Muti代表多線程


ProtoThread相比其他RTOS有什么突出的優(yōu)點呢？貌似它已經(jīng)停止更新了。

優(yōu)點挺多的
1、超輕量級，他的庫基本上都是些宏定義，大小可以忽略不計，而且每個線程只占用2個字節(jié)
2、無機器碼，純c實現(xiàn)，所以可移植性很好
3、無堆棧
4、簡單使用可以只把他當個調(diào)度程序，復雜點也能把他當操作系統(tǒng)來使
恩。。其實我也才接觸。。了解不全
現(xiàn)在邊研究邊更新吧，主要是這幾天太忙了。。
PT作者的首頁http://www.sics.se/~adam/pt/

問：新手，求教一下，看了下示例，不知這定時準確度如何？執(zhí)行中斷后，這定時器時間是否會延長？
答：上面的示例只是用了一個delay()來設定時間片，用來演示一個簡單的程序罷了
寫程序最好不要用delay，一delay程序就不能干別的事了，最好的辦法是一遇到要delay就去干別的事，時間到了再接著運行剛才的代碼，所以PT結(jié)合定時器可以很大的提高程序的實時性
上面的定時器庫采用的是內(nèi)部定時器，至于是TCN幾我也沒仔細看，不過他們與PT結(jié)合的不是很好，下次我再發(fā)一個定時器庫吧
中斷肯定會有影響的，只是影響的大小罷了，所以在中斷里一般都不會放大的程序，我用中斷一般都是用來計數(shù)、改變狀態(tài)，這點時間可以忽略
附錄：
官方原版庫1.4
pt-1.4.zip (256.5 KB, 下載次數(shù): 50)
arduino版1.4.01
ProtoThreads.rar (12.31 KB, 下載次數(shù): 56)
新發(fā)現(xiàn)了幾個定時器庫，還沒來得及試用，都是arduino Library上下載的，大家可以先拿過去試試

SimpleTimer.rar (4.27 KB, 下載次數(shù): 18)
TimedAction-1_6.zip (3.92 KB, 下載次數(shù): 20)
TimerOne-v9.zip (5.71 KB, 下載次數(shù): 18)


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ID:165672 發(fā)表于 2017-2-21 09:55 | 顯示全部樓層
謝謝分享！學些
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ID:158981 發(fā)表于 2017-3-7 22:03 | 顯示全部樓層
非常感謝樓主分享
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ID:152999 發(fā)表于 2017-3-12 20:40 | 顯示全部樓層
謝謝分享，怎么用呢？
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ID:174361 發(fā)表于 2017-3-22 00:26 | 顯示全部樓層
學習了
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ID:187329 發(fā)表于 2017-4-8 08:49 | 顯示全部樓層
感謝分享，最近在學習arduino，的確資源緊缺啊
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ID:224986 發(fā)表于 2017-8-5 15:31 | 顯示全部樓層
不造這個一樣嗎

ProtoThreads.rar

56.95 KB, 下載次數(shù): 7, 下載積分: 黑幣 -5

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ID:239822 發(fā)表于 2017-10-21 19:38 | 顯示全部樓層
貌似arduino能用的多線程也就這個了，只是這個多線程任務管理功能還有待加強，做的更精細點，極可能的減少線程假死或者沖突，沒辦法，誰讓單片機的內(nèi)存太小呢
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ID:243053 發(fā)表于 2017-10-26 10:29 | 顯示全部樓層
謝謝分享！黑幣不足啊
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ID:244729 發(fā)表于 2017-10-31 21:28 | 顯示全部樓層
謝謝分享！黑幣不足
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ID:252134 發(fā)表于 2017-11-22 14:27 | 顯示全部樓層
16位單片機還能玩這么強，膜拜，大神
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ID:255376 發(fā)表于 2017-12-6 22:01 | 顯示全部樓層
謝謝分享！
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ID:39808 發(fā)表于 2018-1-21 10:47 來自觸屏版 | 顯示全部樓層
想知道這個庫是否為通用庫，比如可以在不同的環(huán)境好不同核心使用。
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ID:39808 發(fā)表于 2018-1-21 10:50 來自觸屏版 | 顯示全部樓層
我現(xiàn)在玩arduino用的是stm32的核，外設和avr完全不同，目前使用的系統(tǒng)是freertos，這個系統(tǒng)好處是標準系統(tǒng)，功能完善，但是缺點顯而易見，占空間比較大，所以不懂樓主這個系統(tǒng)能否通用，占用空間如何？
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ID:10784 發(fā)表于 2018-6-9 18:47 | 顯示全部樓層
謝謝分享！好東西
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