มัลติทาสกิ้งด้วยไลบรารี Protothreads

วิกินี้เป็นส่วนหนึ่งของรายวิชา 01204223

Protothreads พัฒนาขึ้นโดย Adam Dunkels โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อให้นักพัฒนาโค้ดสามารถเขียนโปรแกรมแบบมัลติทาสกิ้งในรูปแบบที่เข้าใจได้ง่ายบนอุปกรณ์ที่มีทรัพยากรจำกัดอย่างเช่นไมโครคอนโทรลเลอร์ ไลบรารีนี้นำเอาเทคนิคการบันทึกสถานะร่วมกับการใช้คำสั่ง goto มารวมไว้เป็นชุดมาโครในภาษาซี ทำให้รูปแบบโค้ดของงานย่อยแต่ละงานมีลักษณะคล้ายคลึงกับการเขียนโค้ดที่ทำงานแบบซิงเกิลทาสก์

ตัวอย่างโปรแกรม

โปรแกรมต่อไปนี้เขียนขึ้นโดยอาศัยไลบรารี Protothreads ซึ่งให้พฤติกรรมการทำงานที่เหมือนกับตัวอย่างตามวิกิ มัลติทาสกิ้งบนไมโครคอนโทรลเลอร์ ทุกประการ

ตัวอย่าง

เขียนเฟิร์มแวร์ที่ทำให้ LED สีเขียวบนบอร์ดพ่วงติด 1 วินาทีและดับ 0.5 วินาทีสลับกันไป ในขณะเดียวกันทำให้ LED สีแดงติด 0.7 วินาทีและดับ 0.3 วินาทีสลับกันไป

#include <stddef.h>  // for NULL
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <pt/pt.h>

#include "peri.h"
#include "timer.h"

// นิยามมาโคร PT_DELAY ไว้เพื่อจำลองการหน่วงเวลาแบบมัลติทาสกิ้ง
#define PT_DELAY(pt, ms, ts) \
    ts = timer_millis(); \
    PT_WAIT_WHILE(pt, timer_millis()-ts < (ms));

struct pt pt_taskRed;
struct pt pt_taskGreen;

///////////////////////////////////////////////////////
PT_THREAD(taskGreen(struct pt* pt))
{
  static uint32_t ts;
  
  PT_BEGIN(pt);
  
  while (1)
  {
    set_led(LED_GREEN,1);
    PT_DELAY(pt, 1000, ts);
    set_led(LED_GREEN,0);
    PT_DELAY(pt, 500, ts);
  }
  
  PT_END(pt);
}

///////////////////////////////////////////////////////
PT_THREAD(taskRed(struct pt* pt))
{
  static uint32_t ts;
  
  PT_BEGIN(pt);
  
  while (1)
  {
    set_led(LED_RED,1);
    PT_DELAY(pt, 700, ts);
    set_led(LED_RED,0);
    PT_DELAY(pt, 300, ts);
  }
  
  PT_END(pt);
}

//////////////////////////////////////////////////
int main()
{
  init_peripheral();
  timer_init();
  sei();
  
  PT_INIT(&pt_taskGreen);
  PT_INIT(&pt_taskRed);

  for (;;)
  {
    taskGreen(&pt_taskGreen);
    taskRed(&pt_taskRed);
  }
}

สิ่งที่น่าสนใจคืองานย่อยทั้งสองงาน (taskGreen และ taskRed) มีโค้ดที่เกือบจะเหมือนกับโค้ดดั้งเดิมที่เขียนสำหรับงานเดี่ยว

โค้ดดั้งเดิม (แบบใช้ delay)	โค้ดที่อิมพลิเมนต์ด้วยไลบรารี Protothreads
void taskGreen() { while (1) { digitalWrite(PIN_PC2, HIGH); delay(1000); digitalWrite(PIN_PC2, LOW); delay(500); } }	PT_THREAD(taskGreen(struct pt* pt)) { static uint32_t ts; PT_BEGIN(pt); while (1) { digitalWrite(PIN_PC2, HIGH); PT_DELAY(pt, 1000, ts); digitalWrite(PIN_PC2, LOW); PT_DELAY(pt, 500, ts); } PT_END(pt); }

การทำงานของไลบรารี Protothreads

รายละเอียดคร่าว ๆ ของโปรแกรมและมาโครต่าง ๆ ในไลบรารี Protothreads ที่นำมาใช้มีดังนี้

• struct pt ถูกนิยามไว้ในไฟล์เฮดเดอร์ pt.h ซึ่งภายในมีตัวแปรสมาชิกเพียงตัวเดียวที่เอาไว้เก็บสถานะปัจจุบันของงาน

// นิยามโดยย่อของ struct pt
struct pt
{
  void* state;
};

• มาโคร PT_THREAD(task(struct pt* pt)) ใช้สำหรับครอบการประกาศฟังก์ชันที่จะให้ทำหน้าที่เป็น protothread (เสมือนเป็นเครื่องจักรสถานะตัวหนึ่ง) ซึ่งมีผลเทียบเท่ากับการประกาศฟังก์ชันด้วยคำสั่ง

char task(struct pt* pt)

ซึ่งไม่ต่างจากการประกาศฟังก์ชันทั่วไป แต่การประกาศฟังก์ชันผ่านมาโครนี้จะช่วยย้ำผู้เขียนโปรแกรมว่าฟังก์ชันนี้ทำหน้าที่เป็น protothread

• มาโคร PT_BEGIN(pt) ถูกนิยามไว้เป็นโค้ดที่เรียกใช้คำสั่ง goto ตามสถานะที่เก็บไว้ในตัวแปร pt ซึ่งเทียบเท่ากับการใช้คำสั่ง

if (pt->state != NULL) goto *(pt->state);

มาโครนี้จึงต้องถูกเรียกเป็นคำสั่งแรกเสมอในฟังก์ชันที่จะทำหน้าที่เป็นเครื่องจักรสถานะ

• มาโคร PT_END(pt) ระบุจุดสิ้นสุดของ protothread โดยทำงานเทียบเท่ากับคำสั่ง return

return 3;

ค่า 3 ถูกใช้ในไลบรารี Protothreads เป็นการภายในเพื่อระบุว่า protothread นี้จบการทำงานโดยสมบูรณ์

• มาโคร PT_INIT(pt) ทำหน้าที่กำหนดสถานะเริ่มต้นให้กับตัวแปร pt ซึ่งมีผลเทียบเท่ากับการใช้คำสั่ง

pt->state = NULL;

เมื่อพิจารณาคู่กับมาโคร PT_BEGIN แล้วจึงมีความหมายว่าให้เริ่มต้นทำงานตั้งแต่ต้นฟังก์ชัน

• มาโคร PT_WAIT_WHILE(pt, cond) ถูกนิยามไว้เป็นการตรวจสอบเงื่อนไข cond ว่ายังเป็นจริงอยู่หรือไม่ หากเป็นจริงจะบันทึกสถานะบรรทัดปัจจุบันไว้ในตัวแปร pt ก่อนที่จะ return ออกจากฟังก์ชัน ซึ่งเทียบเท่ากับการใช้คำสั่ง

L__LINE__: pt->state = &&L__LINE__;  // __LINE__ ถูกคอมไพเลอร์แทนที่ด้วยหมายเลขบรรทัดปัจจุบัน
if (cond) return 0;

• มาโคร PT_DELAY(pt, ms, ts) ไม่ได้อยู่ในไลบรารี Protothreads แต่สร้างขึ้นเพื่อความสะดวกในการจำลองการทำงานของคำสั่ง delay ในแบบที่ไม่หยุดรอ นิยามไว้ให้เทียบเท่ากับการใช้คำสั่ง

ts = millis();
PT_WAIT_WHILE(pt, millis()-ts < (ms));

ดังนั้นส่วนของโปรแกรมที่นิยาม protothread ชื่อ taskGreen

PT_THREAD(taskGreen(struct pt* pt))
{
  static uint32_t ts;
  
  PT_BEGIN(pt);
  
  while (1)
  {
    digitalWrite(PIN_PC2, HIGH);
    PT_DELAY(pt, 1000, ts);
    digitalWrite(PIN_PC2, LOW);
    PT_DELAY(pt, 500, ts);
  }
  
  PT_END(pt);
}

เมื่อแทนที่มาโครต่าง ๆ เรียบร้อยแล้วจะมีผลเทียบเท่ากับโค้ดด้านล่าง

char taskGreen(struct pt* pt)
{
  static uint32_t ts;
  
  // มาโคร PT_BEGIN(pt)
  if (pt->state != NULL) goto *(pt->state);
  
  while (1)
  {
    digitalWrite(PIN_PC2, HIGH);
    // มาโคร PT_DELAY(pt, 1000, ts);
    ts = millis();
    L43: pt->state = &&L43;  // สมมติว่า 43 คือเลขบรรทัดนี้
    if (millis()-ts < 1000) return 0;

    digitalWrite(PIN_PC2, LOW);
    // มาโคร PT_DELAY(pt, 500, ts);
    ts = millis();
    L45: pt->state = &&L45;  // สมมตว่า 45 คือเลขบรรทัดนี้
    if (millis()-ts < 500) return 0;
  }
  
  // มาโคร PT_END(pt);
  return 3;
}

ซึ่งเหมือนกับโค้ดที่อิมพลิเมนต์เครื่องจักรสถานะแบบใช้ goto นั่นเอง

ข้อควรระวังในการใช้ไลบรารี Protothreads

เนื่องจากโค้ดที่เขียนในรูป protothread จะมีหน้าตาคล้ายกับโค้ดที่ทำงานเดี่ยวเป็นอย่างมาก จึงเป็นการง่ายที่จะเผลอเขียนโค้ดที่ไม่ได้คำนึงถึงการทำงานร่วมกับงานอื่น ด้านล่างเป็นข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นได้ง่ายในการใช้ Protothreads

• ตัวแปรแบบโลคัลถูกทำลาย จำไว้เสมอว่าฟังก์ชันที่เป็น protothread มีการ return ตลอดเวลาแม้จะไม่ปรากฏคำสั่ง return ให้เห็น ดังนั้นค่าของตัวแปรที่ถูกประกาศแบบโลคัลจะสูญหายทันที โค้ดด้านล่างแสดงส่วนของโปรแกรมที่พยายามทำให้ LED สีเขียวกระพริบ 5 ครั้ง แล้วจึงให้ LED สีแดงกระพริบอีก 3 ครั้ง แต่โปรแกรมจะไม่ทำงานตามที่คาดหวัง

 1 PT_THREAD(taskBlink(struct pt* pt))
 2 {
 3   static uint32_t ts;
 4   int i;  // <- ถูกทำลายและสร้างใหม่ตลอดเวลา
 5 
 6   PT_BEGIN(pt);
 7 
 8   // สีเขียวกระพริบ 5 ครั้ง
 9   for (i = 0; i < 5; i++)
10   {
11     digitalWrite(PIN_PC2, HIGH);
12     PT_DELAY(pt,100,ts);
13     digitalWrite(PIN_PC2, LOW);
14     PT_DELAY(pt,100,ts);
15   }
16 
17   // สีแดงกระพริบ 3 ครั้ง
18   for (i = 0; i < 3; i++)
19   {
20     digitalWrite(PIN_PC0, HIGH);
21     PT_DELAY(pt,100,ts);
22     digitalWrite(PIN_PC0, LOW);
23     PT_DELAY(pt,100,ts);
24   }
25   PT_END(pt);
26 }

เหตุที่โปรแกรมไม่ทำงานตามที่คาดหวังเนื่องจากตัวแปร i ที่ประกาศไว้ในบรรทัดที่ 4 เป็นตัวแปรแบบโลคัลธรรมดา ภายในมาโคร PT_DELAY มีคำสั่ง return ซึ่งมีผลทำให้ตัวแปร i ถูกทำลาย และถูกสร้างใหม่เมื่อฟังก์ชันถูกเรียกให้ทำงานต่อ ดังนั้นค่าของ i ในลูป for แรกจึงเป็นศูนย์เสมอ วิธีที่ถูกต้องคือประกาศให้ตัวแปร i เป็นแบบ static

4   static int i;

• ลูปอนันต์ไม่เปิดโอกาสให้ออกจากฟังก์ชัน การใช้ลูปแบบ while (1) ทำได้ใน protothread ก็จริง แต่ต้องให้ฟังก์ชันได้ return เพื่อให้โอกาสงานอื่น ๆ ทำงานด้วยเช่นกัน โค้ดด้านล่างเป็นตัวอย่างการตีความค่าแสง 2 ระดับและแสดงผลลัพธ์บน LED สีแดงตลอดเวลา

 1 PT_THREAD(taskLight(struct pt* pt))
 2 {
 3   PT_BEGIN(pt);
 4 
 5   while (1)
 6   {
 7     uint16_t light = analogRead(PIN_PC4);
 8     digitalWrite(PIN_PC0, light/512);
 9   }
10 
11   PT_END(pt);
12 }

จะเห็นว่าเมื่อลูป while เริ่มทำงานแล้วจะไม่มีการเปิดโอกาสให้ออกจากฟังก์ชันได้อีกเลย นั่นหมายถึงงานอื่น ๆ ที่ต้องการให้ทำควบคู่กันไปจะหยุดชะงักลงทันที หากไม่ต้องการหน่วงเวลาใด ๆ อย่างน้อยที่สุดต้องมีการใช้คำสั่ง PT_YIELD เพื่อฟังก์ชันจะได้มีโอกาส return และให้งานอื่น ๆ ได้ทำงานบ้าง

 1 PT_THREAD(taskLight(struct pt* pt))
 2 {
 3   PT_BEGIN(pt);
 4 
 5   while (1)
 6   {
 7     uint16_t light = analogRead(PIN_PC4);
 8     digitalWrite(PIN_PC0, light/512);
 9     PT_YIELD(pt):
10   }
11 
12   PT_END(pt);
13 }

มาโครที่ใช้งานบ่อย

• PT_INIT(pt) กำหนดค่าสถานะเริ่มต้นให้กับโปรโตเทรด
• PT_BEGIN(pt) ประกาศจุดเริ่มต้นภายในฟังก์ชันที่ใช้งานเป็นโปรโตเทรด
• PT_END(pt) ประกาศจุดสิ้นสุดภายในฟังก์ชันที่ใช้งานเป็นโปรโตเทรด
• PT_WAIT_WHILE(pt,cond) รอ (แบบมัสติทาสกิ้ง) ตราบเท่าที่เงื่อนไข cond ยังเป็นจริงอยู่
• PT_WAIT_UNTIL(pt,cond) รอ (แบบมัสติทาสกิ้ง) จนกระทั่งเงื่อนไข cond เป็นจริง
• PT_YIELD(pt) เปิดโอกาสให้โปรโตเทรดอื่นได้ทำงาน

ดูรายละเอียดเพิ่มเติมและคำอธิบายมาโครอื่น ๆ ได้จาก คู่มืออ้างอิงมาโครที่ Protothreads เตรียมให้