Кнопки и мигалки вместе: кооперативный цикл без блокировок

Гаражная сигнализация досталась мне по наследству: кнопка постановки на охрану, светодиод-маяк и зуммер. Скетч я переписал «по-своему» за полчаса: маяк — digitalWrite HIGH, delay(400), LOW, delay(400); зуммер пикс тем же способом. Кнопку опрашивал в начале loop — один раз за оборот, а оборот длился 800 мс. В итоге, чтобы снять охрану, я держал кнопку по три секунды, а из десяти коротких нажатий на столе система ловила два-три.

Я был уверен, что виновата кнопка. Поставил подтяжку получше, поменял кнопку, перепаял провод — симптом не двигался. Диагноз прозвучал только на листе бумаги: за оборот loop длиной 800 мс кнопка опрашивалась один раз, нажатие длиной 200 мс попадало в это окно в одном случае из четырёх. Продублировать опрос после каждого delay — четыре копии — я отказался принципиально: обрывки одинакового кода я уже терял, а при пятом режиме их стало бы восемь.

Правильная формулировка оказалась короткой: у этого устройства нет ни одной задачи, которой нужен delay. Кнопка — это микросекунда на digitalRead, маяк — одна вспышка раз в 400 мс, зуммер — два переключения в секунду. Всё живёт в одном общем цикле, где ни одна функция никого не заставляет ждать. Такой стиль называется кооперативным: планировщика нет, и каждая задача сама обязана вернуть управление. В этом уроке собираем сигнализацию заново — с антидребезгом из урока про дребезг кнопки, маяком без delay и честной проверкой, что ни одна функция не держит loop дольше пары миллисекунд.

loop — это общий коридор. Пока маяк стоит посреди коридора с delay(400), никто мимо не проходит: кнопка, датчики, счётчики — всё ждёт. В кооперативном цикле у задач нет очереди и нет диспетчера: каждая пробегает свой маленький кусок — проверила условие, сделала мгновенную работу, отдала коридор дальше. Гейт вида millis() - last >= PERIOD — по одному на задачу, механика была разобрана в уроке про millis() вместо delay. Правило всего одно: ни одна функция не держит управление дольше пары миллисекунд. Мой личный порог жёстче — до сотни микросекунд на обычный прогон, и только печати в порт позволено жить подольше, раз в несколько секунд.

Внутренних «спящих», закрывающих коридор, в бытовых скетчах три. Первая и очевидная — delay(). Вторая — длинная печать: строка в шестьдесят символов на 9600 бод стоит около 62 мс, и печать в каждом обороте превращает loop в конвейер канала — подробный разбор с ценой каждого символа был в уроке про уровни логов. Третья — pulseIn() без таймаута: она ждёт импульс до целой секунды; в следующем уроке про micros() мы всегда будем ставить таймаут третьим аргументом, чтобы и эта дверь оставалась открытой.

Отдельная честность про звук. tone() играет частоту на аппаратном таймере Timer2, а часы millis() живут на Timer0 — друг другу они не мешают, и loop во время писка крутится как ни в чём не бывало. Но зуммер сам не замолчит: когда режим сменился, звук надо гасить noTone() руками — эта грабля уже встречалась в уроке про switch/case, где ночник уходил из тревоги продолжающим пищать.

Кнопка в общем цикле — это две задачи в одном флаконе. Первая: читать пин каждый оборот — digitalRead стоит около 5 мкс, и даже сотни тысяч оборотов в секунду не делают её дорогой. Вторая: не верить каждому фронту — контакты дребезжат 5–20 мс, и без фильтра одно нажатие выглядит как серия. Антидребезг, который мы проходили, — это тоже millis-гейт: запоминаем момент последнего изменения уровня и признаём событие, только если с тех пор прошло хотя бы 15 мс. В общий цикл он вписывается без единого изменения — это просто функция, которая не спит.

Признанное событие дальше меняет не светодиод, а переменную состояния: ohrana, ноль или единица. Тот же приём, что в конечном автомате светофора, только состояний пока два. Флаг читают задачи маяка и писка — кнопка не обязана знать, как они устроены: события пишут состояние, задачи его читают. Когда состояний станет четыре, флаг сменится на переменную режима со switch, а сами функции не пошевелятся.

Когда прерывание всё-таки нужно: если loop занят долгой работой, которую не разрезать, — например, датчик DS18B20 со своими 750 мс ожидания преобразования, — кнопку выносят на прерывание, как в уроке про attachInterrupt. Для сигнализации это избыточно: в кооперативном цикле опрос стоит 5 мкс, и событий, которые не успевают, здесь нет.

Три функции — три задачи, и ни в одной нет ни delay, ни while-ожидания. taskKnopka читает пин, проверяет фронт с гейтом 15 мс и только по признанному нажатию щёлкает ohrana. taskMayak раз в 300 мс инвертирует светодиод — и только когда охрана включена. taskPisk живёт двумя фазами: 600 мс тишины, 150 мс писк; фаза хранится в переменной piskaet, и обе границы — два отдельных гейта.

Смотрите на выключение: при ohrana = 0 скетч гасит светодиод, вызывает noTone() и сбрасывает gorim и piskaet в ноль. Без этого маяк уходил бы в выключенный режим посреди вспышки — замороженный светодиод, а зуммер продолжал бы играть частоту: звук сам не выключается, ночник из урока про switch/case ловил эту же граблю в тревоге. «Хвост состояния» — главная новая цена неблокирующего стиля: у задач появилась память, и её надо чистить при каждом переходе.

И последнее: печать — только по событию. Одна строка на нажатие кнопки, всё. Печать состояния в каждом обороте — способ за минуту превратить кооперативный цикл в очередь к 9600 бодам: канал сам станет планировщиком и начнёт терять нажатия за вас. Захотелось видеть ритм — заведите отдельную задачу с секундным периодом и короткой строкой; формат с метками уровней у нас разобран в уроке про уровни логов.