arduino，学习笔记（六），其高级使用

所谓“高级”，并非指那些遥不可及的屠龙之技，而是指那些能够让你更高效、更精确、更可靠地驾驭硬件资源的方法和思想。这些技巧将赋予你的项目以“专业级”的灵魂。

来，让我们一同开启这扇通往 Arduino 殿堂深处的大门。

第一章：时间与并发 —— 从“线性思维”到“并行世界”

这是 Arduino 进阶的第一个，也是最重要的里程碑。初学者使用 delay()，而高手用 millis() 编织时间。

1. 非阻塞编程 (Blink Without Delay 范式)

问题： delay(1000); 会让你的微控制器“休克”整整一秒。在此期间，它对任何按钮按下、传感器变化都视而不见。如果你的项目需要同时闪烁LED并监测按钮，delay() 会让它变得迟钝甚至无效。

高级解法：状态机与 millis() 计时
把你的程序想象成一个忙碌的厨师，他需要同时炖汤和煎牛排。他不会盯着汤锅一动不动直到炖好，而是会设置一个计时器，然后利用间隙去翻动牛排。

unsigned long previousMillis = 0; // 存储上一次LED状态改变的时间
const long interval = 1000;       // 闪烁间隔 (ms)
int ledState = LOW;               // LED的当前状态

void setup() {
              
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}

void loop() {
              
  // 在这里可以执行其他任务，比如读取按钮状态
  // checkButton(); 
  // readSensor();

  unsigned long currentMillis = millis(); // 获取当前时间

  if (currentMillis - previousMillis >= interval) {
              
    // 时间到了！是时候改变LED状态了
    previousMillis = currentMillis; // 记住这次改变的时间点

    // 翻转LED状态
    if (ledState == LOW) {
              
      ledState = HIGH;
    } else {
              
      ledState = LOW;
    }
    digitalWrite(LED_BUILTIN, ledState);
  }
}

核心思想： loop() 函数以极高的频率循环。在每次循环中，我们只是“检查”一下时间是否到了，而不是“等待”。这使得 loop() 可以同时处理多个非阻塞的任务，实现了协作式多任务。

第二章：深入硬件 —— 绕过抽象，直面寄存器

Arduino 的 API 很友好，但也像穿上了一层厚厚的盔甲，牺牲了速度和灵活性。直接操作寄存器，就是脱下盔甲，与硬件进行最直接、最高效的对话。

2. 端口操作 (Port Manipulation)

问题： digitalWrite() 为了通用性，内部执行了大量的检查，速度相对较慢。如果你需要同时、快速地改变多个引脚的状态（例如驱动 8×8 LED矩阵），逐个调用 digitalWrite() 会非常慢，甚至产生可见的延迟。

高级解法：直接写端口寄存器
Arduino Uno 的数字引脚被分组成“端口”（PORTB, PORTC, PORTD）。例如，数字引脚 8 到 13 对应于 PORTB 的第 0 到 5 位。

void setup() {
              
  // 将引脚8到13全部设置为输出模式 (DDRB = Data Direction Register for Port B)
  // B11111100; 这是一种二进制表示法，1代表输出，0代表输入
  DDRB = 0b11111111; // 将整个PORTB都设为输出
}

void loop() {
              
  // 同时点亮引脚8, 10, 12 (PORTB的第0, 2, 4位)
  PORTB = 0b00010101; 
  delay(500);

  // 同时点亮引脚9, 11, 13 (PORTB的第1, 3, 5位)
  PORTB = 0b00101010;
  delay(500);
}

优势：

速度： 操作寄存器是一个单一的CPU时钟周期指令，比 digitalWrite() 快几个数量级。
原子性 (Atomicity)： 一次性改变多个引脚的状态，所有引脚会在同一时刻变化，这对于并行数据传输等时序敏感的应用至关重要。

提醒： 这需要你查阅所用 MCU 的数据手册 (Datasheet)，找到引脚与端口的映射关系。这是硬核工程师的“圣经”。

第三章：中断 —— 赋予系统“条件反射”的能力

中断是嵌入式系统中处理紧急事件的黄金法则。它允许你的程序暂停当前任务，去处理一个更高优先级的事件，处理完后再返回原处继续执行。

3. 外部中断 (External Interrupts)

问题： 如果你用 digitalRead() 在 loop() 中轮询一个按钮，当 loop() 正在执行一个耗时操作时，你可能会错过一次快速的按钮按下。

高级解法：使用 attachInterrupt()
假设一个按钮连接到 Uno 的 2 号引脚（这是一个中断引脚）。

volatile int buttonPressCount = 0; // 被中断修改的变量必须用 volatile 修饰
                                   // 告诉编译器这个变量可能随时在外部被改变

void setup() {
              
  Serial.begin(9600);
  pinMode(2, INPUT_PULLUP);
  // 将中断0 (对应引脚2) 附加到 onButtonPress 函数
  // RISING 表示在引脚电平从LOW变为HIGH时触发
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2), onButtonPress, RISING); 
}

void loop() {
              
  // loop可以做任何其他事情，甚至可以为空
  // 但按钮计数依然准确无误
  Serial.print("Button has been pressed ");
  Serial.print(buttonPressCount);
  Serial.println(" times.");
  delay(1000); // 使用 delay 也不会影响中断的响应
}

// 中断服务程序 (ISR - Interrupt Service Routine)
// 这个函数必须非常快，不能有任何延时或串口打印
void onButtonPress() {
              
  buttonPressCount++;
}

ISR 编写准则 (黄金法则):

短小精悍 (Keep it short and fast): ISR 应该尽快执行完毕。
millis() 在 ISR 中不会更新。
避免在 ISR 中使用 delay() 和串口通信。 它们依赖于中断，而中断在 ISR 中通常是禁用的，会导致程序卡死。
使用 volatile 关键字 修饰在主程序和 ISR 之间共享的变量。

第四章：内存管理 —— 在方寸之间精打细算

Arduino Uno 只有 2KB 的 SRAM（内存），这是极其宝贵的资源。不恰当的内存使用，是导致程序崩溃和行为异常的头号元凶。

4. PROGMEM：将只读数据存入闪存

问题： 如果你的程序需要存储大量的固定文本、查找表或位图数据，它们默认会被加载到宝贵的 SRAM 中，很快就会耗尽内存。

高级解法：使用 PROGMEM 关键字
PROGMEM 告诉编译器，将这些数据存储到容量大得多（Uno 上有 32KB）的程序闪存 (Flash Memory) 中。

#include <avr/pgmspace.h> // 必须包含这个头文件

// 将一个长字符串存储在PROGMEM中
const char longString[] PROGMEM = "This is a very long string that would otherwise consume a lot of SRAM...";

// 定义一个存储在PROGMEM中的字符串表
const char* const stringTable[] PROGMEM = {
               "String 1", "String 2", "String 3" };

void setup() {
              
  Serial.begin(9600);
  
  // 从PROGMEM读取数据需要特殊的函数
  char buffer[30]; // 在SRAM中创建一个临时缓冲区
  strcpy_P(buffer, (char*)pgm_read_word(&(stringTable[1]))); // 读取 "String 2"
  Serial.println(buffer);
}

void loop() {
              
  // ...
}

关键： 访问 PROGMEM 中的数据不能直接进行，必须通过 pgm_read_*() 系列函数（如 pgm_read_byte, pgm_read_word）将其“拷贝”到 SRAM 中才能使用。

5. 理解并避免使用 `String` 对象

问题： Arduino 的 String 对象虽然使用方便，但它在背后会进行动态内存分配，容易导致内存碎片化。在长时间运行后，即使总的可用内存还够，也可能因为没有足够大的连续内存块而导致分配失败，引发不可预知的崩溃。

高级解法：使用 C 风格的字符数组 (char array)

// 不推荐的方式
// String str = "Value: ";
// str += someIntValue;
// Serial.println(str);

// 推荐的方式
char buffer[20]; // 定义一个足够大的固定缓冲区
int someIntValue = 123;
sprintf(buffer, "Value: %d", someIntValue); // 使用 sprintf 格式化字符串
Serial.println(buffer);

优势： 字符数组在编译时就分配好了固定大小的内存，不会在运行时产生碎片。虽然使用起来略显繁琐，但对于要求高可靠性的项目来说，这是必须养成的习惯。