ผลต่างระหว่างรุ่นของ "มัลติทาสกิ้งด้วยไลบรารี Protothreads"

จาก Theory Wiki
ไปยังการนำทาง ไปยังการค้นหา
แถว 196: แถว 196:
 
   if (pt->state != NULL) goto *(pt->state);
 
   if (pt->state != NULL) goto *(pt->state);
 
    
 
    
−
   while (1)
+
   for (;;)
 
   {
 
   {
 
     set_led(LED_GREEN,1);
 
     set_led(LED_GREEN,1);

รุ่นแก้ไขเมื่อ 12:09, 9 พฤศจิกายน 2559

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);
  
  for (;;)
  {
    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);
  
  for (;;)
  {
    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()
{
  for (;;)
  {
    set_led(LED_GREEN,1);
    _delay_ms(1000);
    set_led(LED_GREEN,0);
    _delay_ms(500);
  }
}

PT_THREAD(taskGreen(struct pt* pt))
{
  static uint32_t ts;
  
  PT_BEGIN(pt);
  
  for (;;)
  {
    set_led(LED_GREEN,1);
    PT_DELAY(pt, 1000, ts);
    set_led(LED_GREEN,0);
    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_ms ในแบบที่ไม่หยุดรอ นิยามไว้ให้เทียบเท่ากับการใช้คำสั่ง
ts = timer_millis();
PT_WAIT_WHILE(pt, timer_millis()-ts < (ms));

ดังนั้นส่วนของโปรแกรมที่นิยาม protothread ชื่อ taskGreen 

PT_THREAD(taskGreen(struct pt* pt))
{
  static uint32_t ts;
  
  PT_BEGIN(pt);
  
  for (;;)
  {
    set_led(LED_GREEN,1);
    PT_DELAY(pt, 1000, ts);
    set_led(LED_GREEN,0);
    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);
  
  for (;;)
  {
    set_led(LED_GREEN,1);
    // มาโคร PT_DELAY(pt, 1000, ts);
    ts = timer_millis();
    L43: pt->state = &&L43;  // สมมติว่า 43 คือเลขบรรทัดนี้
    if (timer_millis()-ts < 1000) return 0;

    set_led(LED_GREEN,0);
    // มาโคร PT_DELAY(pt, 500, ts);
    ts = timer_millis();
    L45: pt->state = &&L45;  // สมมตว่า 45 คือเลขบรรทัดนี้
    if (timer_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     set_led(LED_GREEN,1);
12     PT_DELAY(pt,100,ts);
13     set_led(LED_GREEN,0);
14     PT_DELAY(pt,100,ts);
15   }
16 
17   // สีแดงกระพริบ 3 ครั้ง
18   for (i = 0; i < 3; i++)
19   {
20     set_led(LED_RED,1);
21     PT_DELAY(pt,100,ts);
22     set_led(LED_RED,1);
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 for (;;) 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   for (;;)
 6   {
 7     uint16_t light = read_adc(PC4);
 8     set_led(LED_RED, light/512);
 9   }
10 
11   PT_END(pt);
12 }

จะเห็นว่าเมื่อลูป for 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   for (;;)
 6   {
 7     uint16_t light = read_adc(PC4);
 8     set_led(LED_RED, 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

ดึงข้อมูลจาก "http://158.108.32.49/wiki/index.php?title=มัลติทาสกิ้งด้วยไลบรารี_Protothreads&oldid=57312"