FastLED.show и время кадра: FPS и блокировки

Радуга на пробной ленте из шестнадцати пикселей шла гладко, как по маслу. Я перенёс тот же скетч на полтора метра — сто сорок четыре пикселя — и анимация рассыпалась в слайдшоу: кадры переключались рывками, а бегущая полоса будто цеплялась за что-то невидимое. Полчаса я подозревал millis-таймер, ещё полчаса — просевший блок питания. Виноват оказался третий подозреваемый, которого я вообще не рассматривал: у кадра на WS2812 есть цена, и она растёт с длиной ленты. Смысл этого урока — научиться считать эту цену до того, как она съест вашу плавность.

Откуда берётся цена. Протокол WS2812 однопроводной, и бит за битом его выталкивает сам Arduino: 24 бита на пиксель при 800 кГц — это 1,25 микросекунды на бит и ровно 30 мкс на пиксель целиком. Эту арифметику мы разобрали в уроке про однопроводной протокол, а FastLED.show() честно платит её за каждый пиксель буфера. Шестнадцать пикселей — 0,5 мс, шестьдесят — 1,8 мс, сто сорок четыре — 4,3 мс, триста — уже 9 мс. После последнего бита лента просит ещё около 50 мкс тишины на «защёлку» кадра, но на фоне передачи это мелочь. Рекордсмены вроде ESP32 с двумя тысячами пикселей платят за кадр 60 мс — потолок 16 кадров в секунду ещё до всякой математики; в больших проектах ленту режут на куски и шьют параллельно, но это уже другая история.

Прежде чем считать, договоримся о цели. Кинопроектор показывает 24 кадра в секунду — и мозг верит в движение; на ленте глаз придирчивее: 15–20 кадров уже читаются как рывки, 30 — спокойно, 50 и выше — «аналоговая» плавность. Отсюда мой рабочий бюджет: кадр 20–33 мс. И ловить надо не среднюю скорость, а худший кадр: анимация с икотой из-за одного перегруженного кадра выглядит хуже, чем ровные тридцать.

Перегрузка коварна тем, что не роняет систему — она растягивает период. Таймер «раз в 20 мс» при теле кадра в 35 мс превращается в «раз в 35 мс», без единого предупреждения в мониторе: просто глаз замечает, что радуга стала ленивой. Поэтому первое, что я делаю с затормозившим эффектом, — вешаю хронометр и смотрю на цифры, а не на ленту.

Бюджет кадра считается просто: период, на который вы замахнулись, минус передача, минус математика, минус печать. При цели 30 кадров в секунду период — 33 мс, и даже лента на 300 пикселей оставляет около 24 мс на всё остальное. Ловить надо не «тяжёлые эффекты», а суммы: передача 9 мс плюс математика 6 мс плюс println на 9600 за 16 мс — и вот ваши 30 мс превращаются в 31, кадры тянутся один за другим, а глаз читает это как «эффект тормозит», хотя fill_rainbow тут ни при чём. Правило, которое я вынес из той недели с таймером в руках: любую цифру бюджета мерять, а не оценивать на глаз — micros() с его разрешением около 4 мкс вокруг каждого куска кадра и отчёт раз в секунду показывают вора за минуту.

То, что кадры собираются на millis-таймере без единого delay(), мы уже проговаривали в уроке про эффекты и в millis() вместо delay() — здесь появляется только замер. Смотрите, как он устроен.

У меня на Uno с шестьюдесятью пикселями этот скетч стабильно печатает math_us в диапазоне 40–60 и show_us около 1780–1830: радуга почти бесплатна, а передача занимает свою законную долю — 1,8 мс. Потолок из этих двух слагаемых выходит около 540 кадров в секунду, то есть до предела далеко, и именно так надо читать эти числа: не «много или мало», а «сколько осталось от моих 33 миллисекунд». На матрице 8×8 из урока про индексацию XY цифры те же — 64 пикселя платят те же 1,9 мс.

Отдельная страница грабель — отладочная печать в loop(). На 9600 бод один символ стоит около миллисекунды, строка из пятнадцати — пятнадцать, как передача целых пятисот пикселей. Печатайте раз в секунду и на 115200 бод: там символ стоит 87 мкс, и даже подробный дамп не встанет поперёк кадра. И второе, о чём мало кто думает до первого пульта: на время show() FastLED отключает прерывания — битам WS2812 нужны точные интервалы, и ATmega им не помеха. Но приёмник IRremote ловит биты длиной 0,6–2,4 мс, и пауза в 1,8 мс посреди посылки рвёт приём: у меня пульт от гирлянды работал то с одного нажатия, то с пятого, ровно пропорционально длине ленты.

Первый рычаг — рисовать реже. Медленным эффектам вроде дыхания или градиентного перелива хватает 15–20 кадров в секунду: глаз на плавном поле не отличит их от пятидесяти, а запас бюджета удваивается. Быстрые искры и бегущие точки — наоборот, частый кадр, иначе движение рассыпается в стробоскоп. Одна цифра на весь эффект в константе STEP_MS — и скорость настраивается без правки логики.

Второй — не рисовать вообще, когда нечего менять: если сцена статична или идёт пауза между вспышками, show() можно пропустить, и самые дорогие 9 мс обнуляются. Третий — дешёвая математика: sin8() на плате читает готовую таблицу из 256 байт вместо честного синуса, и на трёхстах пикселях разница набегает в сотни микросекунд каждый кадр. Четвёртый — геометрия: две ленты на одном пине удваивают время передачи, об этом целиком урок про две ленты, а разнос по разным пинам шьёт их параллельно. Пятый — признать, что Uno дотянулась до предела: от полутора тысяч пикселей честнее взять ESP32 или RP2040, там передача и математика расходятся по ядрам.

Фазы меняются каждые сорок кадров, а Serial печатает расчётную цену кадра, а не измеренную: в движке печать и передача бесплатны, поэтому их цену изображает delay() — 15 мс в тихой фазе (это 9 мс show() для трёхсот пикселей плюс 6 мс математики) и 35 мс в фазе печати (строка из двадцати символов на 9600 бод). Следите за парой used= и fps=: цена 15 мс спокойно живёт внутри бюджета 20 мс, потолок 50 кадров в секунду; с печатью она подскакивает до 35 мс, период растягивается за бюджет, и потолок падает до 28 — комета на ленте двигается вдвое ленивее, хотя ни одна строка математики не изменилась. На живой ленте на 300 пикселей то же самое проявится без всяких эмуляций: печать в каждый кадр на 9600 бод стоит как лишние двести пикселей передачи.

Два эксперимента поверх. Растяните фазу: замените 40 в (frame / 40) % 2 на 200 — печать станет редким визитом, и глаз перестанет ловить фазу рывков. А потом перенесите цену в светлое: поднимите delay(35) до delay(60) — это сценарий «лента на полтысячи пикселей», и даже тихая фаза перестанет влезать в двадцать миллисекунд: комета задышит рывками без единой строки печати.