millis() вместо delay(): неблокирующие мигалки и таймеры

Светофор для школьного макета я собрал за вечер, а кнопку «вызов пешехода» к нему прикрутил три дня. Не потому, что кнопка была плохая — потому что в коде стоял delay(30000): полный цикл светофора длился тридцать секунд, и все эти тридцать секунд плата спала. Нажимал на кнопку — ничего. Отпускал — тоже ничего. Кнопка срабатывала только в те редкие мгновения, когда loop() успевал добежать до digitalRead между задержками. Тогда я не знал главного: delay() — это не пауза в программе. Это остановка всей программы целиком.

В этом уроке мы перепишем мигалку так, чтобы плата продолжала жить во время «пауз»: проверяла кнопки, читала датчики, слушала Serial. Инструмент — функция millis(), и с ней вы напишете первый по-настоящему взрослый паттерн в Arduino: неблокирующий таймер в одну строку — if (millis() - prev >= N).

Нового синтаксиса здесь почти нет: одна функция, одна переменная, одно условие. Но именно этот приём отличает скетч из туториала от прошивки, которая живёт месяцами без перезагрузки. В симуляторе собраны обе мигалки — сломанная и починенная, — переключайтесь между ними и сравнивайте поведение на одной и той же кнопке.

Посмотрим на честную хронологию скетча с задержками. loop() делает один круг: включает светодиод, замирает на 1000 мс, выключает, снова замирает на 1000 мс. Между проверками кнопки проходит ровно 2000 мс. Теперь арифметика: если нажатие длится 150 мс, а loop() заглядывает на пин раз в две секунды, то примерно 92% нажатий начинаются и заканчиваются между проверками — плата их вообще не видит. Человеку кажется, что он нажал, а железо не в курсе.

Моё первое решение было классическим тупиком: я решил «прятать» проверку кнопки внутрь задержек. Разбил delay(30000) на тридцать delay(1000), между ними воткнул if (digitalRead(...)). Кнопка ожила, но реагировала с задержкой до секунды. Раздробил дальше, до delay(100), — и получил код, в котором каждая правка периода светофора требовала переписать полсотни строк, а вложенные флаги перестали помещаться в голове. Если вы ловите себя на мысли «разобью большую задержку на много маленьких» — остановитесь: это симптом того, что выбран неверный паттерн, а не неверные цифры.

Физика проблемы простая: delay() съедает не время, а реакцию. Пока он крутится, не выполняется ничего — ни чтение датчиков, ни Serial, ни кнопка. Если в loop() суммарная задержка 2000 мс, а сам полезный код занимает 100 микросекунд, то 99,995% жизни платы проходит в спячке. Флаги, вложенные проверки и дробление задержек это не лечат — лечит только отказ от блокирующих ожиданий.

millis() возвращает количество миллисекунд с момента включения платы. Считает его не ваш код, а аппаратный таймер внутри ATmega328P, поэтому millis() тикает всегда, чем бы ни был занят скетч. Сам вызов занимает микросекунды и ничего не блокирует: спросить «который час?» можно хоть тысячу раз за один проход loop().

Тип результата — unsigned long: 32-битное число без знака, максимум 4 294 967 295. В миллисекундах это 49,7 суток непрерывной работы, после чего счётчик переполнится и пойдёт с нуля. Звучит пугающе, но шаблон ниже устроен так, что переполнение его не ломает — почему, показано во врезке. Родственнику millis() — функции micros() — запаса хватает только на 71,6 минуты, это стоит помнить, когда меряете длительности в микросекундах.

Идея неблокирующей мигалки меняет порядок слов: не «подожди и моргни», а «проверь, не прошло ли N миллисекунд с прошлого переключения». Прошло — переключаем и запоминаем новое время. Не прошло — мгновенно идём дальше и занимаемся остальными делами. loop() в такой программе крутится тысячи раз в секунду, и кнопка физически не может пролететь между проверками.

Сила паттерна раскрывается, когда таймеров становится несколько. Каждому независимому процессу — своя пара «метка времени плюс период»: prevFast и fastPeriod для быстрой вспышки, prevSlow и slowPeriod для медленной. Таймеры не мешают друг другу, потому что каждое условие проверяется независимо на каждом проходе loop(), а проход длится микросекунды.

Записей две, и разница между ними тонкая. Вариант prev = now держит период «от момента срабатывания»: если loop() на миг занялся чем-то долгим, следующее переключение чуть сдвинется. Вариант prev = prev + interval фиксирует точную сетку времени: метки идут ровно через 1000, 2000, 3000 мс, а запаздывание обработки просто отыгрывается на следующем шаге. Для мигалок разницы не видно, для часов реального времени или генерации меандра — существенна.

Моё рабочее правило: как только в loop() появляется кнопка, датчик или чтение Serial — delay() вычёркивается. Если же это одноразовая гирлянда на новогоднюю ёлку, которой не нужно ни на что реагировать, — честный delay() отработает и код будет читаться проще. Инструмент не бывает плохим, бывает неподходящий контекст.

Теперь у вас есть базовый строительный элемент любой многозадачной прошивки. В следующем уроке спустимся на уровень ниже: аппаратные прерывания заставят сам чип следить за кнопкой, пока loop() занят чем-то другим, — и посчитаем импульсы, которые пролетают за микросекунды и для millis()-опроса слишком быстры.

А пока посидите в симуляторе. Переведите любой свой старый скетч с delay() на millis() — обычно это тридцать минут работы. И обязательно сломайте шаблон через int: подсознание запоминает падение лучше, чем любое правило из текста.