Конечный автомат: светофор без delay()

Настольный перекрёсток для кружка: три светодиода — красный на пине 12, жёлтый на 11, зелёный на 10 — и кнопка пешехода на пине 2 с INPUT_PULLUP, схема та же, что в уроке про кнопку. Скетч я написал за вечер: digitalWrite, delay, снова digitalWrite. Всё выглядело правильно ровно до первого испытателя. Семилетний Сеня нажал кнопку пешехода — и ничего. Нажал ещё, придержал подольше — и вдруг светофор включил красный прямо над игрушечными машинками, без единой секунды жёлтого.

Разбирались вместе. Цикл длился двенадцать секунд, и одиннадцать с половиной из них плата провела внутри delay(): пять на зелёном, два на жёлтом, пять на красном. Внутри delay() не выполняется ничего: ни digitalRead, ни digitalWrite, ни Serial — кнопка опрашивается один раз за цикл. Сеня держал кнопку около полусекунды — шанс попасть в это мгновение примерно один к двадцати четырём, около четырёх процентов. Остальные нажатия он не видел, а когда видел — выполнял «приказ» немедленно: красный, пять секунд, без жёлтого.

Виновата не кнопка и не Сеня — структура: устройство с режимами, которое большую часть жизни спит. Светофор — хрестоматийный конечный автомат: всегда ровно в одном состоянии, переходы по правилам — и всё без единой паузы в loop. Половина инструментария у нас есть: неблокирующий таймер на millis() разобран в отдельном уроке, коммутатор — в уроке про switch/case. Осталось соединить: переменная состояния, таймер переходов, кнопка, которая просит, а не приказывает, — и светофор будет видеть каждое нажатие, не нарушая фаз.

Что именно ломает delay()? Симптом обманчив: светофор ведь работает. delay(5000) — пять тысяч миллисекунд, в течение которых loop заморожен, пины стоят и кнопка молчит, даже жми её двумя пальцами. Полный оборот скетча — двенадцать секунд, и digitalRead выполняется ровно один раз за оборот. Моментарное нажатие между опросами для платы не существует.

Вторая беда хуже первой — она про отсутствие правил. Когда кнопка «пробивалась», скетч делал написанное: гасил зелёный и зажигал красный. Без жёлтого, без «сейчас будет красный» — для игрушечных машинок это гололёд. Правил переходов в скетче на delay() нет: они размазаны по паузам, и вплести новую логику — а кнопка и есть новая логика — некуда. Мой вывод: delay() приемлем, пока устройство ни на что не реагирует — мигалка, гирлянда, тест светодиодов; с появлением кнопки он превращается в приговор.

Конечный автомат звучит как страница из учебника, а по сути это честный ответ: чем устройство занято сейчас. У светофора три состояния: зелёный, жёлтый, красный. В каждый момент включено ровно одно, и скетч знает, какое, — переменная svet. Ничего не происходит «параллельно»: есть состояние, его возраст в миллисекундах и правила смены. loop крутится свободно: каждый оборот опрашивает кнопку, считает таймер и при необходимости делает один переход. Слепых окон, когда loop спит, больше нет.

Состояниям — имена. В C++ для этого есть enum: enum Svet { ZELEN, ZHOLT, KRAS } объявляет три константы со значениями 0, 1 и 2, и дальше по скетчу пишется svet = ZHOLT вместо svet = 1. Числа никуда не делись, но case ZHOLT читается глазами, а не как магическая единица. А раз состояния — целые константы, их принимает switch из урока про switch/case: одна ветвь — одно состояние, вся таблица переходов на виду.

Таймер переходов — формула из урока про millis(): if (millis() - lastSwitch >= 5000), где lastSwitch — момент начала текущего состояния; разность растёт с каждым оборотом loop, дотянула до длительности фазы — пора переходить. Порядок вычитания важен: unsigned long переполняется примерно на 49,7 сутках, и millis() - lastSwitch остаётся корректным даже через переполнение, а millis() >= lastSwitch + 5000 в тот день сломается. Длительности фаз держу именованными константами наверху: методист попросила зелёный подлиннее — правка заняла одну строку.

Самая недооценённая строка каркаса — lastSwitch = millis() внутри stavit(). Каждое состояние начинает отсчёт заново — в одном-единственном месте, рядом со сменой. Это не украшение: однажды я разбил stavit() на «понятные» строки и потерял перезапуск таймера — фазы забегали; разбор в блоке про грабли. Правило из урока про свои функции переносится напрямую: две правки, обязанные происходить вместе, должны жить в одной функции.

Теперь пешеход. Кнопка не переключает светофор — она просит: нажатие ставит флаг zapros. Что с ним делать, решает автомат по правилам фаз. Зелёный старше двух секунд заканчивается сразу: укороченный, но честный. Моложе — дорабатывает минимум: машины успевают покинуть перекрёсток. Дальше жёлтый, дальше красный на пять секунд — на нём пешеход переходит; при включении красного флаг гаснет, просьба обслужена. Запрос, нажатый во время красного, доживёт до зелёного и сделает его укороченным. Нетерпеливое тыканье ничего не ускоряет: укороченный зелёный — единственная уступка; нажатие на жёлтом гаснет вместе с жёлтым — впереди полный красный.

Опрос. Кнопка проверяется в начале loop, до switch, в каждом обороте: на Uno это десятки тысяч чтений в секунду, почти бесплатно. Прерывания здесь не нужны: они нужны, когда импульсы быстрее, чем loop, или когда loop подолгу спит. Ошибка, которую я вижу чаще прочих, — обработка кнопки внутри ветви зелёного: нажатие «работает», только пока горит зелёный. Уши автомата — опрос мира — обязаны торчать снаружи, до switch.

Первая рабочая версия была «умнее»: я вписал кнопку прямо в ветвь зелёного — if (digitalRead(KNOPKA) == LOW) { svet = ZHOLT; lastSwitch = millis(); }. Работало: нажатие — зелёный гас. Пока Сеня не догадался кнопку держать. Зажатая кнопка на каждом обороте loop выполняла те же строки заново — svet = ZHOLT и снова lastSwitch = millis(); таймер обнулялся, и красный не наступал никогда. Сеня смотрел на вечный жёлтый как на фокус, а я десять минут смотрел на скетч без неверных символов. Неправильной была структура: кнопка командовала каждый оборот, а не просила один раз.

Лечение — разделить права. Кнопка делает ровно одно: замечена — флаг zapros стал единицей. Повторное нажатие флагу безвредно: единица остаётся единицей. Печать запроса я повесил на фронт, переход с HIGH на LOW, как в уроке про кнопку и дребезг, — иначе зажатая кнопка засыпала бы порт сотнями строк в секунду. Правило, которое я теперь рассказываю раньше схемы: у кнопки — право просить, у автомата — право переключать. Дальше по плану раздела — кнопочное меню: флаг-запрос вырастет в выбранный пункт, дисциплина останется той же.

Скетч в симуляторе — тот же каркас с одной подменой: enum заменён на константы const int, потому что движок слово enum не разбирает; на плате верните enum. Откройте симулятор на сайте и жмите кнопку в разных фазах. В мониторе пойдут пары имя=значение: t=… svet=… — миллисекунды от старта и номер фазы, 0 зелёный, 1 жёлтый, 2 красный, — а по нажатию zapros=1. На красном понажимайте — следующий зелёный будет укороченным; в первые две секунды зелёного автомат досидит минимум и лишь потом уйдёт на жёлтый.