Структуры и enum: порядок в большом скетче

Термостат для балконного ящика с рассадой я писал в четыре руки: сам и я же через месяц, дорабатывая ночной режим. Глобальных переменных было шесть: celi, gisterezis, rezhim, avariya, podogrev, poslednayaTemp. С работающим скетчем они жили мирно, пока я не начал добавлять функции: в одном месте порог сравнивался с rezhim == 2, в другом — с голой двойкой, в третьем я перепутал gisterezis с полупорогом. Нагрев не выключался, и два часа с распечаткой скетча я вёлся за багом, который ловится компилятором бесплатно, если состояния у нас не числа, а имена.

Порядок в скетче длиннее трёхсот строк приносят две вещи, и обе — из базового C++. struct собирает настройки в один тип: на целевую температуру, гистерезис и режим — одно объявление, одно место в памяти, один способ передать их функции. enum заменяет магические числа состояний словами: SPIT, SLEDIT, TRIVOIGA — и опечатка в слове становится ошибкой сборки, а не вечерней охотой. Обе вещи не стоят ни байта на плате: типы живут только до компиляции, в памяти остаются те же числа и те же переменные — за порядок вы платите только вниманием при написании. Автоматы на именованных состояниях мы уже трогали в уроке про светофор — там автомат был на числах, здесь та же логика взрослеет до типов.

Урок завершает тройку про взрослый скетч: PROGMEM-таблицы из предыдущего урока держат данные во флеше, передача без копий приносит порядок в функции, а struct и enum — в том, что осталось. В конце — симулятор: движок struct и enum не исполняет, поэтому в макетке состояния собраны из именованных констант, а на плату вы возьмёте версию с типами.

Объявление структуры — чертёж нового типа: struct Nastroyki { int porog; int viderzhka; int tiho; }; — и теперь Nastroyki можно объявлять как обычный тип, а поля заполнять списком: Nastroyki n = {500, 4, 100}. Доступ к полям через точку: n.porog. Польза не в красивом синтаксисе, а в единственности: у порога теперь ровно одно место, и функция, которая хочет настройки, получает их одним аргументом — по ссылке из урока про указатели, без копий и без шести параметров в заголовке.

Про размер стоит знать одну особенность AVR: выравнивания полей на нем нет, sizeof структуры равен сумме размеров полей. Три int — ровно 6 байт, и это число я проверяю через sizeof(Nastroyki) перед любой записью в EEPROM: шесть байт — шесть ячеек, и ничего не наезжает на соседние данные. На ESP32 поля выравниваются по границам, и тот же тип может весить больше — переносите структуру между платами как двоичный blob с осторожностью, лучше с подписью-версией внутри.

Главная связка — энергонезависимость: EEPROM.put(0, n) пишет структуру целиком, EEPROM.get(0, n) читает обратно, приёмы разобраны в уроке про put и get. Вместо шести EEPROM.update по разным адресам — одна команда и один адрес, и настройки переезжают через перепрошивку без потерь. Для долго живущего скетча я завожу struct Nastroyki первым делом, до первой глобальной переменной настройки — потом переучиваться больно.

enum Status { SPIT, SLEDIT, TRIVOIGA } — объявление типа с фиксированным набором значений. По умолчанию они нумеруются с нуля: SPIT — 0, SLEDIT — 1, TRIVOIGA — 2, и можно задать свои числа явно. Переменная Status sost принимает только именованные значения, и вот здесь таится главная выгода: если в switch вы напишете SPET вместо SPIT, компилятор откажется собирать скетч — неизвестное имя. С int-константами та же опечатка прошла бы незамеченной: 3 — тоже число, пусть и не то.

Второй подарок — switch по enum: компилятор с ключом -Wswitch напоминает о состояниях, для которых нет ветки. Я добавил в автомат режим OZHIDANIE и забыл про него в switch — сборка указала строку раньше, чем я успел бы поймать это на железе. Не отключайте такие подсказки: они бесплатный второй ревьюер, который не устаёт.

Каркас, к которому я пришёл на трёх термостатах: все переходы — в одной функции perehod(Status novyi), там же светодиод, зуммер и печать в Serial; loop() только решает, когда переходить, и читает датчики. Если переходов больше трёх, такая связка окупается за первый вечер — логика выхода из состояния живёт в одном месте, и новые состояния добавляются одной веткой. Для многостадийных устройств дальше по смыслу стоит планировщик задач на millis: автомат решает что делать, планировщик — когда.

struct масштабируется дальше — в массив профилей. Мой полив имел три режима: рассада, цветник, отпуск; вместо трёх наборов переменных жил массив Nastroyki profili[3], и кнопка выбирала индекс: profili[nomer].porog. Три структуры по 6 байт — 18 байт, один адрес для EEPROM.put и одна переменная номера вместо переприсваивания шести полей по всему скетчу. Смена профиля становится событием, которое видно в одном месте, а не рассыпается по коду — ровно то же свойство, за которое мы ценим perehod() у автомата.

Мелочь для отладки, которая потом переезжает в каждый мой скетч: enum нельзя напечатать в Serial напрямую — print не знает, как превратить Status в текст. Выручает функция-переводчик imya(Status s) со switch по каждому значению: три строки на состояние, зато в логе видно perehod=TRIVOIGA, а не perehod=2. Если у вас несколько автоматов, у каждого — свой enum со своими именами: общий список состояний для насоса и подсветки превращает код обратно в магические числа, только теперь ещё и с чужими подписями.

Движок симулятора не исполняет ни struct, ни enum — в его грамматике их нет. Поэтому в макетке ниже состояния объявлены именованными константами int, а настройки — тремя отдельными переменными с пометкой, что на плате это поля структуры. Логика при этом точная, один в один с code-блоком: переходы через функцию perehod, выдержка в замерах, зона отпуска ниже порога. В Serial печатается имя состояния из строкового массива — модель enum-имён: в реальном скетче вместо IMENA[sost] вы бы печатали сам Status.

Сюжет тот же, что у термостата: потенциометр A0 — уровень сигнала, кнопка D2 будит автомат из спячки, четыре замера подряд выше порога — тревога, зуммер и светодиод, падение сигнала в зону отпуска — возврат в сон. Числа подобраны под единицы АЦП: порог 500 — половина шкалы, зона отпуска в сто единиц ниже — запас против дребезга сигнала на границе. Попробуйте нарочно держать сигнал чуть выше порога с провалами: выдержка обнуляется на каждом провале, и тревога не срабатывает — это и есть гистерезис с выдержкой, а не просто сравнение.