了解Protothread—嵌入式系統中的輕量級協程技術

隨着嵌入式系統的廣泛應用，對系統的可靠性和實時性等需求也越來越高。而協程技術能夠很好地解決這些問題。Protothread就是一種輕量級協程技術，下面我們將從多個方面對其進行詳細的闡述。

一、Protothread概述

Protothread是一種基於C語言的、輕量級的、面向事件驅動的協程技術，它的核心思想是將協程處理儘可能小的處理單元，並使用狀態變量指示協程的運行進度，從而向外部事件響應和傳達執行進度。

Protothread中的協程都被視為很簡單、幾乎等價於無狀態機的程序代碼。這些協程的特徵在於它們能夠暫停它們的狀態機，並在下一次調用時從上次離開的地方繼續執行。協程的執行順序決定了程序代碼的執行順序，這種執行順序已經預先定義的，從而協程就成為了輕量級進程。

Protothread可以使用非搶佔式多任務處理技術來管理協程，這種技術可以將系統中每個任務的執行時間分割成明確的時間片，然後輪流執行多任務。在這個過程中，Protothread可以及時捕獲外部事件並響應，從而使得整個系統保持高效和穩定。

Protothread和狀態機最大的不同點在於，狀態機是由開發人員定義並手動控制執行路徑，而Protothread則嘗試通過代碼的命名和邏輯表達使得代碼自動化生成。從而使得工程師不用手動維護狀態機更新與之間的關係問題。

二、Protothread的實現

Protothread的實現是通過多個狀態和對應的協程來實現的，每個狀態對應一個協程，同時協程中還有一個表示執行狀態的整型變量，用於在不同狀態之間進行狀態轉換和執行流程控制。

我們可以將這個整型變量稱作協程的“狀態”變量，當協程執行完一種狀態之後，就將其狀態變量設置為下一種狀態，從而協程就繼續沿着設計的程序執行路徑進行處理。

typedef struct {
  unsigned short pt_running;
  unsigned short pt_lastline;
  unsigned short pt_linedefined;
} pt_thread;

#define PT_THREAD_NAME(name_args) char name_args; \
  int name_args##_thread(pt_thread *pt, int state)

#define PT_BEGIN(pt) int PT_CONTINUATION_STATE = 0; switch(PT_CONTINUATION_STATE) { case 0:

#define PT_WAIT_UNTIL(pt, condition) PT_CONTINUATION_STATE= __LINE__; case __LINE__: \
  if(!(condition)) return 0

#define PT_END(pt) }

#define PT_YIELD(pt) do {
  PT_CONTINUATION_STATE = __LINE__; \
  return __LINE__; case __LINE__:;} while(0)

上面這段代碼展示了典型的PT協程重寫，它使用了會產生對嵌套函數調用的switch/case語句，這些switch和case語句用於在協程中實現對PT_STATE的調度處理。

要使用PT協程，只需要包括“PT_THREAD_NAME(name_args)”在函數前面，在你的協程函數中就可以使用在裸庫中使用的PT_WAIT_UNTIL, PT_WAIT_WHILE, PT_SPAWN或PT_YIELD等等協程語句。此外，該PT_THREAD_NAME宏展開為一個帶有一個單獨pt_thread參數的函數。pt_thread數據結構提供了一個狀態運行參數，一個最後一行運行標記和一個行定義標記。

三、Protothread的優點和適用場景

Protothread作為一種輕量級協程技術，在許多嵌入式系統中都得到了廣泛的應用。

首先，Protothread運行效率高，因為它使用了非搶佔式多任務處理技術，能夠最大限度地提高系統效率，而且代碼清晰簡潔、易於維護。同時，使用Protothread的嵌入式系統在性能和實時性方面都能夠得到保證。

其次，Protothread的編碼方式比傳統的狀態機更易於實現。其中的協程特徵允許在協程間共享變量，並同時使用同一複雜狀態機。這種方法更容易管理並測量，因為它減少了設計中的狀態轉換數量。

最後，當我們面對的系統的複雜性增加時，Protothread能夠輕鬆地擴展。開發人員只需將更多的協程加入到系統中，而不必更改已有的協程。

四、Protothread的示例

static struct pt pt1, pt2;

static PT_THREAD(protothread1(struct pt *pt)) {
  PT_BEGIN(pt);

  for(;;) {
    PT_WAIT_UNTIL(pt, input_a);
    PT_WAIT_UNTIL(pt, input_b);
    output_c = input_a + input_b;
    LCD_Display(output_c);
  }

  PT_END(pt);
}

#define STATE_IDLE 0
#define STATE_INIT 1
#define STATE_SEND 2
#define STATE_DONE 3

u16 seq_no;
u8 buffer[200];

u8 sys_buf[32];
u32 sys_buf_len;

static PT_THREAD(protothread2(struct pt *pt)) {
  PT_BEGIN(pt);

  while(1) {
    PT_WAIT_UNTIL(pt, PT_SEM_WAIT(pt, serial_rx) != 0);
    if((serial_rx_buffer.head != serial_rx_buffer.tail) && 
    ((serial_rx_buffer.head > serial_rx_buffer.tail) || 
     ((serial_rx_buffer.head == serial_rx_buffer.tail) && 
      (serial_rx_buffer.data_cnt != 0)))) {
        process_serial_rx_data();
    }
  }

  PT_END(pt);
}

上面是一些常見的Protothread代碼實例，其中protothread1處理輸入A和輸入B，並將其相加輸出到LCD顯示屏上。另一個示例是protothread2，它使用PT協程將串行數據接收並交付到接受方。

這些示例展示了Protothread用於嵌入式系統的輕量級協程技術。由於Protothread使用非搶佔式多任務處理技術，因此可以有效地提高系統效率，同時代碼也更加簡潔易懂。

五、小結

Protothread是一種輕量級協程技術，它的核心思想是將協程的處理單元儘可能小，並使用狀態變量指示協程的運行進度。它在許多嵌入式系統中得到了廣泛應用，具有運行效率高、編碼簡單等優勢。掌握Protothread技術，對於嵌入式系統開發工程師來說是一個非常有意義的技能。