在 C++11 中模拟类似 Arduino 的中断答案

【问题标题】：Simulate Arduino-like Interrupts in C++11在 C++11 中模拟类似 Arduino 的中断
【发布时间】：2020-12-06 01:51:25
【问题描述】：

我正在开发一个粗糙的 Arduino 模拟器。它的主要功能应该是测试由控制结构、循环、开关和子程序组成的简单代码。

我的主要想法是自己简单地提供Arduino库的功能，例如 digitalWrite() 或 digitalRead() 之类的函数，它们将读取并发送将状态从外部应用程序（如虚拟面包板）固定到外部应用程序。

下图显示了我当前的概念。模拟器基本上是一个线程执行一次setup() 函数，然后开始执行loop() 函数直到停止。它可以从控制（主）线程中停止或暂停。

setup()和loop()函数的实现，以及一些变量，由用户提供并且无法修改或访问。

到目前为止，一切都很好。现在我想模拟中断。当模拟器线程正在执行loop() 函数时外部应用程序触发中断。这应该导致中断处理程序isr()的执行，也是用户自己提供的，不能更改。

我有两种不同的方法来解决这个问题：

暂停模拟器线程，在不同线程中执行中断处理程序并恢复模拟器线程。
改用信号处理程序，在发生中断时向进程发送信号。

这两种方法都有自己的问题。对于第一个，我需要以某种方式同步状态，这看起来更像是一个可怕的 hack。对于第二个选项，据我所知，我无法指定哪个线程将执行信号处理程序。

如果可能，解决方案应该独立于平台。但是，解决方案绝对需要在Windows下编译运行（MinGW甚至Cygwin）。

【问题讨论】：

对于选项 2，您还需要记住信号处理程序被禁止使用几乎所有内容。即使是信号处理程序中的简单 printf 也是未定义的行为。
我想我会把 isr 放在它自己的等待条件变量的线程上。当isr被触发时，释放条件变量，让isr线程执行一次，然后回到等待状态。我不确定我是否有充分的理由停止模拟器线程，除非有关 arduino 架构的某些东西使它成为更准确的模拟。
@ttemple 在我的场景中loop() 和isr() 将共享一些变量，这意味着中断例程将修改主函数中使用的变量。我不确定这是否会导致一些问题。我很确定你的意思是std::condition_variable，对吧？我试试看，谢谢！
arduino 如何处理 isr 和主执行之间的共享数据？如果它自动处理共享数据，我会对停止模拟器线程有不同的感觉。（这就是我的意思是，如果 arduino 有什么东西可以让停止更准确的模拟。）如果没有，您应该以类似于 arduino 的方式对共享数据处理进行建模，因为您的模拟器将帮助确定您是否正在做共享数据而不踩数据等。
是的，std::condition_variable 就是我的意思。它是阻塞和释放正在等待某事的线程的完美工具。

标签： c++ windows arduino simulation interrupt

【解决方案1】：

IMO 所有的中断都可能被认为是延迟非常低的线程（或基本线程），因此空闲线程是主线程，int-threads 可以抢占主线程但不能被抢占。

所以基本上，目的是执行所有线程，直到满足其中一个 int 线程中的条件，当这种情况发生时，阻塞所有线程（一种临界区，即mutex 或condition variable）直到 int-thread 完成它的工作。之后，再次执行所有线程（中断时间越短越好）：

void interrupt1_thd(void) {
    // try_lock the mutex
    // check the condition of this interrupt
    // if true, do the job
    // release the mutex if locked

]

低端 uC 看起来很简单（即 ATmega328P），没有嵌套中断或优先级。使用更昂贵的 uC（比如说 ATSAMD51 Cortex M4），事情就复杂得多。现在线程必须能够触发、阻塞所有其他较低或相等优先级的线程，并且能够被较高优先级的线程阻塞。基于优先级的线程不是什么大问题（pthread_setschedparam 或 SetThreadPriority），但在没有死锁的线程中嵌套互斥锁并非微不足道，所以这里 condition_variable 更有意义，因为它具有通知功能：

Event:                      Int1   Int3   Int2  Int3         Int3
Main           : -----------                              ---              --------
Task1 (mid)    :             -------------            ----
Task2 (high)   :                          ----------
Task3 (low)    :                                             --------------
Take mutexLow  :            ---------- by 1 ---------        ---- by 3 ----
Take mutexMid  :            ---------- by 1 ---------
Take mutexHigh :                          -- by 2 --

如果mutexHigh 被占用（由高优先级任务），Task1 和Task3 将等待直到Task2 通知所有线程。

如果mutexLow 被占用（通过像Task3 这样的低优先级任务），Task3 执行其工作（包括检查更高的通知），而Task1 和Task2 继续检查它们的条件。

我会避免在不同级别的优先级之间共享资源，以免添加更多同步机制。

所有这一切都取决于您想要模拟的 Arduino 以及您想要达到的模拟级别，不确定您是否想要更深入并包括中断队列以最小化延迟、上下文切换......

【讨论】：