มัลติทาสกิ้งบนไมโครคอนโทรลเลอร์

โปรแกรมควบคุมที่ใช้ในคอมพิวเตอร์แบบฝังตัวนั้นมักต้องการให้มีการทำงานหลายส่วนขนานกันไป เรียกว่าเป็นการทำงานแบบ มัลติทาสกิ้ง (multitasking) อาทิเช่นการตรวจสอบสถานะของแสงเพื่อเปิดปิดไฟในขณะที่ต้องตรวจสอบสถานะการกดปุ่มสวิตช์ไปด้วยในเวลาเดียวกัน หรือการทำไฟกระพริบเป็นจังหวะเพื่อแสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์กำลังทำงานในขณะที่ต้องคอยวนตรวจสอบข้อมูลที่มาจากพอร์ท USB เป็นต้น ในสถานการณ์เหล่านี้แม้ว่าแต่ละงานย่อยจะมีการทำงานที่ตรงไปตรงมา แต่การทำงานย่อยขนานกันไปพร้อมกันบนไมโครคอนโทรลเลอร์ที่มีหน่วยประมวลผลเดียวโดยไม่มีระบบปฏิบัติการคอยช่วยเหลือเป็นเรื่องที่ค่อนข้างซับซ้อน พิจารณาตัวอย่างโปรแกรมควบคุม LED สองดวงให้กระพริบเป็นอิสระต่อกันดังนี้

ตัวอย่าง

เขียนเฟิร์มแวร์ที่ทำให้ LED สีเขียวบนบอร์ดพ่วงติด 1 วินาทีและดับ 0.5 วินาทีสลับกันไป ในขณะเดียวกันทำให้ LED สีแดงติด 0.7 วินาทีและดับ 0.3 วินาทีสลับกันไป

จะเห็นว่างานทั้งหมดประกอบด้วยงานย่อยสองงาน ที่ผ่านมานั้นหากใช้เฟรมเวิร์กของ Arduino การทำให้เพียง LED สีเขียวกระพริบตามที่กำหนดทำได้โดยการเขียนโค้ดในฟังก์ชัน loop ลักษณะนี้

// LED สีเขียวติด 1 วินาที ดับ 0.5 วินาที
void loop()
{
  digitalWrite(PIN_PC2, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(PIN_PC2, LOW);
  delay(500);
}

ในขณะที่การทำให้ LED สีแดงกระพริบจะใช้โค้ดดังนี้

// LED สีแดงติด 0.7 วินาที ดับ 0.3 วินาที
void loop()
{
  digitalWrite(PIN_PC0, HIGH);
  delay(700);
  digitalWrite(PIN_PC0, LOW);
  delay(300);
}

อย่างไรก็ตาม การให้ LED ทั้งสองดวงกระพริบตามจังหวะของตัวเองขนานกันไปนั้นไม่อาจทำได้โดยการรวมงานทั้งคู่เข้าด้วยกันอย่างตรงไปตรงมาเช่นนี้ได้

// *** โค้ดด้านล่างไม่ได้ทำงานตามพึงประสงค์ ***

void taskGreen()
{
  digitalWrite(PIN_PC0, HIGH);
  delay(700);
  digitalWrite(PIN_PC0, LOW);
  delay(300);
}

void taskRed()
{
  digitalWrite(PIN_PC0, HIGH);
  delay(700);
  digitalWrite(PIN_PC0, LOW);
  delay(300);
}

void loop()
{
  taskGreen();
  taskRed();
}

ทั้งนี้เนื่องจากว่าฟังก์ชัน taskRed() ไม่มีการถูกเรียกจนกว่าฟังก์ชัน taskGreen() จะทำงานเสร็จในหนึ่งรอบซึ่งใช้เวลาทั้งสิ้น 1.5 วินาที ในทำนองเดียวกัน ระหว่างที่ฟังก์ชัน taskRed() ทำงานอยู่นั้นฟังก์ชัน taskGreen() ก็ไม่มีโอกาสได้ทำงานเช่นกัน

เครื่องจักรสถานะ

เวลาที่สูญเสียไปกับฟังก์ชันทั้งคู่ตามตัวอย่างข้างต้นนั้นเกือบทั้งหมดเกิดจากการใช้คำสั่ง delay ซึ่งเป็นการหยุดรอโดยไม่ทำอะไรทั้งสิ้น จึงส่งผลกระทบให้งานอื่นที่ต้องการการประมวลผลหยุดชะงักลงด้วย เราจึงต้องออกแบบทั้งสองฟังก์ชันใหม่เพื่อให้ทำงานเสร็จสิ้นในการเรียกแต่ละครั้งให้เร็วที่สุดเพื่อให้งานอื่นมีโอกาสได้ประมวลผล แนวคิดที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือมองงานแต่ละงานในรูป เครื่องจักรสถานะจำกัด (Finite State Machine) หรือเรียกสั้น ๆ ว่าเครื่องจักรสถานะ ผังภาพด้านล่างแสดงเครื่องจักรสถานะของงานควบคุม LED สีเขียว

ผังภาพเครื่องจักรสถานะของการทำไฟสีเขียวติด 1 วินาที ดับครึ่งวินาที

กลไกการทำงานของงาน (หรือเครื่องจักร) ข้างต้นเป็นดังนี้

1. เริ่มทำงานโดยเข้าสู่สถานะ ON ซึ่งมีการสั่งให้ LED สีเขียวติด และบันทึกเวลาปัจจุบันเป็นมิลลิวินาทีจากฟังก์ชัน millis() ไว้ในตัวแปร ts (ย่อมาจาก timestamp)

   (หมายเหตุ: ฟังก์ชัน millis() เป็นฟังก์ชันที่เฟรมเวิร์ก Arduino มีให้ใช้สำหรับตรวจสอบว่าไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ทำงานมาเป็นระยะเวลานานกี่มิลลิวินาที)

2. ตรวจสอบเวลาที่อยู่ในสถานะนี้โดยคำนวณค่า millis()-ts เกินค่า 1000 มิลลิวินาที
   • หากยังไม่เกินให้อยู่ในสถานะเดิม
   • หากเกินแล้ว ให้เข้าสู่สถานะ OFF โดยบันทึกค่า ts เป็นเวลาที่เข้าสู่สถานะใหม่ใน และดับ LED สีเขียว
3. ดำเนินการในลักษณะเดียวกันเมื่ออยู่ในสถานะใหม่

โค้ดเครื่องจักรสถานะ สำหรับ LED สีเขียว

เรานำเครื่องจักรสถานะที่ออกแบบไว้ข้างต้นมาเขียนเป็นโค้ดภาษาซี/Arduino ได้ดังนี้

#include <Practicum.h>

enum State { ON, OFF };

State taskGreen_state;
 
void taskGreen()
{
  static uint32_t ts = 0;

  if (taskGreen_state == ON)
  {
    if (millis() - ts >= 1000)
    {
      ts = millis();
      digitalWrite(PIN_PC2, LOW);
      taskGreen_state = OFF;
    }
  }

  if (taskGreen_state == OFF)
  {
    if (millis() - ts >= 500)
    {
      ts = millis();
      digitalWrite(PIN_PC2, HIGH);
      taskGreen_state = ON;
    }
  }
}

void setup()
{
  // ตั้งค่าอินพุท/เอาท์พุทของขาให้เหมาะสม
  pinMode(PIN_PC0, OUTPUT);
  pinMode(PIN_PC1, OUTPUT);
  pinMode(PIN_PC2, OUTPUT);
  pinMode(PIN_PC3, INPUT_PULLUP);
  pinMode(PIN_PC4, INPUT);
  pinMode(PIN_PD3, OUTPUT);

  // กำหนดสถานะเริ่มต้น
  taskGreen_state = ON;
  digitalWrite(PIN_PC2, HIGH);
}

void loop()
{
  taskGreen();
}

โปรแกรมข้างต้นสามารถคอมไพล์และรันได้จริง แต่จะมีเพียงงานของการกระพริบ LED สีเขียวเท่านั้น อย่างไรก็ตามโปรแกรมนี้ถูกเขียนในรูปแบบแตกต่างจากโปรแกรมไฟกระพริบที่ผ่าน ๆ มา และมีจุดที่น่าสังเกตหลายจุดดังนี้

• ฟังก์ชัน taskGreen นั้นทำงานตามที่ได้ออกแบบไว้ในเครื่องจักรสถานะทุกประการ ซึ่งจะเห็นว่าไม่มีการใช้งานคำสั่ง delay จึงทำให้ทำงานเสร็จแทบจะทันทีที่ถูกเรียกในแต่ละครั้ง อันเป็นพฤติกรรมที่เราต้องการในการทำงานแบบมัลติทาสกิ้ง
• คำสั่ง enum เป็นการกำหนดชนิดข้อมูลแบบใหม่ชื่อ State เพื่อเอาไว้สร้างตัวแปรเก็บสถานะปัจจุบันของเครื่องจักร โดยมีค่าที่เป็นไปได้คือ ON และ OFF
• ตัวแปร ts ถูกประกาศให้เป็นตัวแปรแบบโลคัล แต่ต้องมีการคงค่าเดิมไว้แม้การทำงานจะออกจากฟังก์ชัน taskGreen() ไปแล้ว จึงต้องมีการระบุคีย์เวิร์ด static เอาไว้