在 C++11 中模拟类似 Arduino 的中断

Question

我正在开发一个粗略的 Arduino 模拟器。它的主要功能应该是测试由控制结构、循环、开关和子程序组成的简单代码。

我的主要想法是自己简单地提供 Arduino 库的功能，例如像digitalWrite()or 之类的功能digitalRead()，它可以从外部应用程序（如虚拟面包板）读取和发送引脚状态。

下图显示了我目前的概念。模拟器基本上是一个线程，它执行setup()一次函数，然后开始执行loop()函数直到停止。它可以从控制（主）线程停止或暂停。

setup()和loop()函数的实现，以及一些变量，由用户提供，不能修改或访问。

到现在为止还挺好。现在我想要模拟中断。当模拟器线程正在执行loop()函数时，外部应用程序会触发一个中断。这应该导致中断处理程序的执行isr()，它也由用户提供并且不能更改。

我有两种不同的方法来解决这个问题：

1. 暂停模拟器线程，在不同的线程中执行中断处理程序并恢复模拟器线程。
2. 改用信号处理程序，在发生中断时向进程发送信号。

这两种方法都有自己的问题。对于第一个，我需要以某种方式同步状态，这似乎更像是一个可怕的黑客。对于第二个选项，据我所知，我无法指定哪个线程将执行信号处理程序。

如果可能，解决方案应该与平台无关。但是，该解决方案绝对需要在Windows（MinGW甚至Cygwin）下编译和运行。

Answer 1

IMO所有中断都可能被视为具有非常低延迟的线程（或基本线程），因此空闲线程是主线程，并且int线程可以抢占主线程但不能被抢占。

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所以基本上，目的是执行所有线程，直到满足其中一个 int 线程中的条件，当发生这种情况时，阻塞所有线程（一种临界区域，即互斥体或条件变量）直到 int 线程完成它的工作。之后，再次执行所有线程（中断时间越短越好）：

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void interrupt1_thd(void) {\n    // try_lock the mutex\n    // check the condition of this interrupt\n    // if true, do the job\n    // release the mutex if locked\n\n]\n

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低端uC看起来很简单（即ATmega328P），没有嵌套中断，也没有优先级。对于更昂贵的 uC（让\xc2\xb4s 说是 ATSAMD51 Cortex M4），事情要复杂得多。现在，线程必须能够触发、阻止所有其他较低或相同优先级的线程，并且能够被较高优先级的线程阻止。基于优先级的线程并不是什么大问题（pthread_setschedparam或SetThreadPriority），但是在没有死锁的线程中嵌套互斥体也不是小事，因此condition_variable由于通知的功能，这里更有意义：

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Event:                      Int1   Int3   Int2  Int3         Int3\nMain           : -----------                              ---              --------\nTask1 (mid)    :             -------------            ----\nTask2 (high)   :                          ----------\nTask3 (low)    :                                             --------------\nTake mutexLow  :            ---------- by 1 ---------        ---- by 3 ----\nTake mutexMid  :            ---------- by 1 ---------\nTake mutexHigh :                          -- by 2 --\n

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如果mutexHigh（由高优先级任务）执行，Task1则Task3等待，直到Task2通知所有线程。

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如果mutexLow被采取（由低优先级任务，如任务3），Task3则执行其工作（包括检查更高的通知），同时Task1和Task2检查其条件。

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我会避免在不同优先级之间共享资源，以免添加更多同步机制。

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所有这一切都取决于您想要模拟的 Arduino 以及您想要达到的模拟级别，不确定您是否想要更深入并包括中断队列以最小化延迟、上下文切换……

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