ProtoThreads在Arduino中的应用#多任务处理#
想象一个情景——
一个四位的数码管，由于要“同时”显示，因此每5ms刷新一次。
同时要处理一个矩阵键盘，设计是每10ms扫描一行，同时还有去抖处理，需要在检测到按键后再延时40ms检查一次。
检测到有效按键，在数码管上显示某个值，比如1234。
同时还能从串口接收数据，如果有数据收到，马上在数码管上显示某个值，比如5678，停留1s，期间按矩阵键盘不会有任何反应。
程序怎么写？
比如说，去抖的时候，如果直接用delay(40)的话，那数码管的5ms刷新怎么办？串口收到的数据办？
基于这种多任务处理，为了编程方便，让我们祭出嵌入式操作系统这一个神器！！！
嵌入式操作系统是用来处理这类超烦的（划掉）多任务处理的情况，常见的有uCos、RT-Thread等等，有兴趣的可以去看看。
但是Arduino，编译一个文件出来，如果你有留意的话，体积很大，而arduino本身的内存就不多，再移植一个就Orz了。
鉴于大家做些小作品，不需要用到如此高深的操作系统，只要简单地处理一下这些多任务的问题，所以，让我们祭出Adam Dunkels大神的ProtoThreads
二、ProtoThreads与嵌入式操作系统简介
ProtoThreads是一个通过宏（#define）写出来的神奇的模拟多线程（理解成多任务先）的库，里面全是头文件，找不到.cpp等程序文件。它的核心利用了C语言switch语句的特性。说是嵌入式系统，但这其实还只算是一个调度器，所以，并不能说是一个完整的操作系统。
操作系统最核心的功能是：在等待某个事件发生的时候，比如说定时一段时间、有无按键、串口上有无数据等等，操作系统帮你将单片机从当前的任务中临时切换到另一个任务运行，直到指定事件发生了再回来接着运行，这样就是变相实现了多任务处理，节省了CPU时间，还极大地减少开发难度（我会说我学过嵌入式系统后就再也不想做流水线式的设计了吗？）。
ProtoThreads在较大程度上实现出操作系统的核心功能，而且，每个新建一个任务，只需额外增加16bit即两个字节的空间（引入我的定时器宏则为6个字节）。除了核心功能外，还增加了信号量、延时这两个功能（仅限于我提供的库），我大概想到消息队列、标志怎么写了，但是没空写。
但是！！有缺点！！我说过了，它利用了switch语句的特性，所以，我非常不建议在任务中使用switch这个语句，除非你能保证在你的switch语句内不会切换任务。其次，请慎用内部变量，尤其是循环变量，在切换任务时有一定的可能性发生不可预料的错误，要用，请一定加上static修饰。
讲完，下面讲讲怎么用。
三、任务准备工作
首先，每个任务都必须要有一个记录变量，记录任务的状态，便于返回。语句：
static struct pt xxx;
这个xxx你们自己取好了。下面的全部都是xxx。请一定要加上前面的static struct。
好，然后要初始化一个任务。在setup()函数里面用这个语句：
PT_INIT(&xxx);
这样就初始化成功啦~记得要加个&符号。
四、编写任务
每个任务在程序里面，就算是一个独立函数，在里面处理你要做的东西就可以啦。
函数格式如下：
static int 任务名(struct pt *pt)
{
PT_BEGIN(pt);
//你的处理过程
PT_END(pt);
}
如果不太懂ProtoThreads内部结构，就只改任务名好了，然后就这样写。PT_BEGIN(pt);一定要在开头，PT_END(pt);一定要在结尾，别漏，否则编译错误，运行到这里的时候这个任务就彻底结束了。
由于处理过程一般是循环处理的，所以处理过程一般是while(1){处理内容}，作用就像loop(){}函数啦。
下面是一些等待某种信号所用到的宏：(部分，我没有全部讲，只挑了一些常用的，有兴趣的可以自己看源代码)
PT_WAIT_UNTIL(pt,条件);
这个语句的功能是，如果条件不成立，那么暂时退出当前任务，先处理别的任务，再回来看看。如果条件成立了，那么继续往下执行。第一个变量pt我个人建议别改啦。
PT_WAIT_WHILE(pt,条件);
作用和上面的相反，条件成立则切换任务，条件不成立则继续执行。
PT_WAIT_THREAD(pt,任务x名);
等到任务x完成了（任务x运行到PT_END了）才继续执行。x应为一次性任务而不是循环任务。
PT_RESTART(pt);
重启当前任务
PT_EXIT(pt);
退出并注销当前任务
PT_YIELD(pt);
把CPU让给别的任务用一下下，用完了我再继续用。
（下面的是定时器，该宏是我自己写的，用之前请在#include “pt.h” 的前面，前面啊！加上一句#define PT_USE_TIMER）
先说明一下，下面的定时不一定完全准确的，可能会有点点的误差，可能偏后。如果遇上了很烦的任务，有可能会使延时延后。但是正常情况下，直接用就好了。
如果要很精确的延时，请用delay语句或者计时器，但是，绝大多数情况下，绝大多数情况！绝大多数情况！请用下面的语句代替delay延时！这样才能把CPU让给别的任务使用。
PT_TIMER_DELAY(pt,延时毫秒数);
字面上的意思，不用多说了吧？最大值约为49.7天，估计没人会延时那么久
PT_TIMER_MICRODELAY(pt，延时微秒数);
字面上的意思，不用多说了吧？注意，最小精度与arduino的版本有关，与micros()有精度一致。
PT_TIMER_WAIT_TIMEOUT(pt,条件,毫秒数);
如果条件成立了，或者超时了，就继续运行，否则切换任务。
五、信号量（Semaphore）
停车场。停车。停车场里面的车位是固定的，假设没有一辆车占多个车位的情况。在这种情况下，剩余车位数就是一个“信号量”了。进一量车，剩余车位数就减一；出一量车，剩余车位数就加一。如果剩余车位数为0，那么想进来的车就只能在外面淋雨了
对，信号量也是这样用。得到了一个信号量，任务继续运行，得不到，一边呆着去。
具体有什么用呢？比如说，一楼写着的，监控串口的任务读到数据了，要占用数码管。那么我们命令一个信号量为土豪，土豪只有一个。每次矩阵键盘要显示数据，先申请一个土豪，写数据，然后释放土豪，如果申请不到就在墙角不断画圈圈。监控串口的任务一旦申请到土豪就劫持1s，不让矩阵键盘用。这样就可以达到要求啦~
下面是用法：
要用的话，请在#include "pt.h"前面加上一句 #define PT_USE_SEM
首先要创建一个信号量，这个一定是全局变量：
static struct pt_sem 信号量名;
接着请在setup()函数里面给它初始化：
PT_SEM_INIT(&信号量名，数量);
信号量名前面有个&，别忘了。数量就相当于停车场的总车位数。
然后要用啦。任务要停一辆车进去：
PT_SEM_WAIT(pt,&信号量名);
信号量名前面有个&，别忘了。一个语句只能停一辆车，土豪好多车就用多次。
任务要开一辆车出来：
PT_SEM_SIGNAL(pt,&信号量名);
信号量名前面有个&，别忘了。用一次出一辆。
当然，对于一个任务来说，信号量没上限，就是说，你可以在停车场内再开辟新的车位，不断用PT_SEM_SIGNAL()就好了。
其实信号量这货解决的问题中，比较出名的是生产者与消费者问题。简单地说，消费者要买，必须要生产者生产才能买到，没生产出来，消费者只能等。
六、例子
大家翻了那么久都累了伐……给个例子呗……
要求：板载LED以4秒一周期的速率闪烁。一旦收到串口发来的信息，不管信息量多少，快闪5次。用ProtoThreads写。
//首先启用定时器库和信号量库，下面会用到
#define PT_USE_TIMER
#define PT_USE_SEM
//引用库
#include "pt.h"
static struct pt thread1,thread2; //创建两个任务
static struct pt_sem sem_LED; //来个LED的信号量，同一时间只能一个任务占用
unsigned char i; //循环变量，写在这里其实不合适
void setup() {
//初始化13口和串口
pinMode(13,OUTPUT);
Serial.begin(115200);
PT_SEM_INIT(&sem_LED,1); //初始化信号量为1，即没人用
//初始化任务记录变量
PT_INIT(&thread1);
PT_INIT(&thread2);
}
//这是LED慢速闪烁的任务
static int thread1_entry(struct pt *pt)
{
PT_BEGIN(pt);
while (1)
{
PT_SEM_WAIT(pt,&sem_LED); //LED有在用吗？
//没有
digitalWrite(13,!digitalRead(13));
PT_TIMER_DELAY(pt,1000);//留一秒
PT_SEM_SIGNAL(pt,&sem_LED);//用完了。
PT_YIELD(pt); //看看别人要用么？
}
PT_END(pt);
}
//这是LED快速闪烁的任务，如果有串口消息，快速闪5次
static int thread2_entry(struct pt *pt)
{
PT_BEGIN(pt);
while (1)
{
PT_WAIT_UNTIL(pt, Serial.available()); //等到有串口消息再继续
PT_SEM_WAIT(pt,&sem_LED);//我要用LED啊！
//抢到使用权了，虐5次
for (i=0;i<5;i++)
{
digitalWrite(13,HIGH);
PT_TIMER_DELAY(pt,200);
digitalWrite(13,LOW);
PT_TIMER_DELAY(pt,200);
}
while (Serial.available())
Serial.read();
//清空串口数据，防止又来
PT_SEM_SIGNAL(pt,&sem_LED); //归还LED使用权了
}
PT_END(pt);
}
void loop() {
//依次调用即可
thread1_entry(&thread1);
thread2_entry(&thread2);
}
七、后记
版权问题：ProtoThreads的基本代码是由Adam Dunkels编写了，详情请看Readme.md，我个人只扩展了pt-timer.h这一个库。转载及使用ProtoThreads的基本代码请遵循Adam Dunkels的声明。转载及使用我写的pt-timer.h请署名“逍遥猪葛亮”。