Arduino多任务编程：中文手册中的线程与调度策略指南


参考资源链接：[Arduino中文入门指南：从基础到高级教程](https://wenku.csdn.net/doc/6470036fd12cbe7ec3f619d6?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Arduino多任务编程概述

在当今的物联网时代，Arduino作为开发智能设备的流行平台，其多任务编程能力至关重要。多任务编程是指在同一硬件资源上有效地运行多个任务或程序，而Arduino多任务编程是通过合理地分配和调度CPU时间，使得多个任务看似并行执行。在这一章中，我们将简要介绍Arduino多任务编程的概念、优势以及在日常开发中的重要性。接下来的章节会逐步深入，涵盖多任务编程的理论基础、线程实现、调度策略以及实际应用案例，旨在帮助读者从基础到高级应用，全面掌握Arduino多任务编程的技巧。

# 2. 理论基础与多任务概念

## 2.1 多任务编程理论

### 2.1.1 进程与线程的基本概念

多任务编程是一种允许多个任务或进程几乎同时运行的技术，它涉及到计算机系统中资源的调度和管理。在操作系统中，进程通常被定义为一个可执行程序的实例，拥有自己的地址空间、系统资源和执行状态。线程是进程内部的一个执行单元，是操作系统能够进行运算调度的最小单位。线程拥有自己的执行栈和程序计数器，共享进程的资源，如内存和文件描述符。

进程和线程的创建和销毁比传统单任务模式更为复杂，因为它们涉及到了上下文切换。上下文切换是指操作系统将CPU资源从一个进程转移到另一个进程的过程。这个过程包括保存旧进程的状态，恢复新进程的状态，并将CPU控制权交给新进程。上下文切换会带来一定的开销，因为它需要保存和恢复寄存器、程序计数器和其他资源的状态。

### 2.1.2 上下文切换与任务调度基础

上下文切换是多任务操作系统的一个核心组成部分。任务调度器负责决定何时以及哪个任务获得CPU时间片进行执行。它基于调度算法来实现，调度算法决定了哪个进程或线程应该被选中执行。

任务调度通常分为两种基本类型：抢占式和协作式。在抢占式调度中，调度器可以中断正在运行的任务，强制进行上下文切换，以运行优先级更高的任务。这通常用于通用操作系统中，确保系统响应迅速。协作式调度则依赖于任务主动释放CPU，以便其他任务运行。这种类型的调度通常用于对实时性要求不高的嵌入式系统中。

## 2.2 Arduino平台的任务模型

### 2.2.1 Arduino的任务构成与限制

Arduino作为一款流行的开源硬件和软件平台，它提供了简单易用的多任务实现方式，通过使用函数如`delay()`、`millis()`等实现基本的任务管理。然而，Arduino的任务模型并不像通用操作系统那样复杂。

在Arduino平台上，主函数`loop()`是程序的核心，负责连续执行用户定义的任务。虽然Arduino的`loop()`函数能够通过调用延时函数（如`delay()`）来模拟多任务，但这种做法会导致整个系统挂起，无法响应其他事件，直到延时期间结束。这种实现方式缺乏实时性，并不适合复杂的应用场景。

Arduino的任务构成受限于其单核架构，意味着同时只有一个任务（或代码段）能够获得CPU时间。然而，对于一些不需要实时响应的应用场景，通过合理设计，可以使用Arduino实现看似多任务的行为。比如，通过分解任务到不同的函数中，并在`loop()`中适时调用这些函数，实现任务的“轮询”式多任务。

### 2.2.2 硬件定时器与中断机制

硬件定时器和中断机制是实现高效多任务编程的关键技术。在Arduino中，硬件定时器是一种特别的计时器硬件，它可以独立于主循环运行，用于执行周期性任务，如测量时间间隔、产生精确的时序和管理信号。

Arduino支持定时器中断，它允许开发者编写中断服务程序（ISR），当定时器事件触发时，Arduino会暂停当前的执行流程，转而去执行ISR中的代码。中断允许程序执行一些“紧急”的任务，而不会影响到主程序的执行，这对于需要实时响应的应用来说至关重要。

但是，Arduino的中断处理相较于传统的多任务操作系统有所不同。由于Arduino平台的资源限制，中断服务程序应当尽可能简短，避免在ISR中进行复杂的任务处理。这通常是通过在中断中只是设置一个标志，然后在主循环中检查这个标志，并执行相应的任务来实现的。

通过结合硬件定时器和中断机制，Arduino能够有效地管理多个任务，尽管这种多任务模型与传统操作系统中的并发模型有所不同。开发者需要对这些基本概念有清晰的认识，以便在设计和实现中采用正确的策略和方法。

# 3. Arduino中的线程实现

#### 3.1 Cooperative Multitasking (协作式多任务)
在嵌入式系统开发中，多任务的实现方式对于资源管理、任务执行效率和实时性要求都有很大影响。协作式多任务（Cooperative Multitasking）是Arduino中较为简单的多任务实现方式，允许程序模块化的编写，每个模块运行于特定的函数中，但它们需要协作以保证任务之间的顺利切换。

##### 3.1.1 协作式多任务的原理与实践
协作式多任务的核心理念是每个任务都以合作的方式运行，在适当的时候主动放弃控制权，以便其他任务能够执行。由于这种方式不涉及复杂的上下文切换机制，因此非常节省资源。但是，一个任务如果长时间占用CPU，将会阻碍其他任务的执行。

void setup() {
  // 初始化代码
}

void loop() {
  taskA();
  taskB();
  // ... 其他任务函数
}

void taskA() {
  // 任务A的代码
  // 在适当的时候调用yield()或者进行阻塞操作以让出CPU
}

void taskB() {
  // 任务B的代码
  // 同样在适当的时候让出CPU
}

代码块中的`yield()`函数是协作式多任务的关键，它允许当前任务短暂放弃执行，从而让出控制权给其他任务。在编写协作式多任务代码时，应确保任务函数不要执行过长的操作，或者在可能的情况下进行阻塞，以避免长时间占用CPU。

##### 3.1.2 任务切换与状态保存策略
在协作式多任务中，任务状态的保存通常是在任务函数内部完成的。由于任务切换是通过函数调用完成的，因此状态保存主要涉及到局部变量的维护。局部变量