掌握 Arduino 多任务编程：原型线程分步教程

元器件与材料

项目简介

本教程演示如何让单核 Arduino 同时执行三项任务：

• 以恒定频率脉冲式控制 LCD 背光亮度，无中断
• 每秒递增一个整数并显示在屏幕上，无中断
• 每隔几秒轮换显示几条消息，无中断

什么是原型线程？

原型线程 是一种在 Arduino 等单核微控制器上实现“多任务”效果的技术。虽然标题叫“多线程”，但 Arduino 是单核芯片，运行的是顺序代码，真正的多线程是不可能的。那么原型线程有何不同？

“真”多线程 vs 原型线程

要理解原型线程，先要明白为什么它不是真正的多线程。

早年 Intel 推出“超线程”技术，让单核 CPU 表现得像双核。其核心在于时钟周期。无论是微控制器还是 CPU，都在“周期”中工作。Arduino Uno 的 ATmega328P 主频 16MHz，即每秒 1600 万个时钟周期。但这不是代码行数，而是底层指令（如寄存器搬运数据）。

真正的多线程需要多核 CPU，不同线程并行运行在不同核心上。Arduino 只有一个核心，传统多线程无法实现。我们需要在单核心上管理多项工作，这就是原型线程的用武之地。

原型线程如何工作？

原型线程类似于超线程，但不是在 CPU 周期层面，而是在代码循环/行级拆分工作。每个循环若无紧急任务，就执行一些低频或低负载工作。当不忙时，检查是否该执行其他任务，若是则分支执行。

关键点：阻塞性操作（如读取 SD 卡）仍会阻塞其他原型线程“按时”运行。但对于快速动作（变量修改、输出值改变），效果极佳。部分 MCU 支持实时操作系统 (RTOS)，能更好地处理阻塞任务。

开始实战

首先明确任务：(a) LCD 背光淡入淡出 (b) 以较慢间隔递增计数器 (c) 以更慢间隔轮换字符串。按“阻塞程度”从低到高排序：

• 最不阻塞：背光脉冲 — 极快、固定间隔、无延迟、工作量极小 → 作为主线程
• 中等：计数器递增 — 每 700ms 触发
• 最阻塞：字符串轮换 — 每 3000ms 触发

主循环中调用 numberThread.check() 和 textThread.check() 检查子任务是否到期。任何循环内都必须插入检查，否则会阻塞子任务。初始化时用 TimedAction 设定间隔。

完整代码见下方，已详细注释。核心思想：用最高频任务作为主循环，在其循环内穿插检查其他任务。这只是简单示例，欢迎指正。

代码

使用 <TimedAction.h> 库实现三个不同间隔的重复任务：

/* Arduino 原型线程示例 v1.1 by Drew Alden (@ReanimationXP) 1/12/2016
   更新 v1.1 - 8/18/17 Arduino 1.6.6+ 兼容性修复
   注意：TimedAction 库已过时，新版 Arduino 需手动将库中 WProgram.h 改为 Arduino.h */
#include <TimedAction.h>
#include <LiquidCrystal.h>

// 元器件：Sunfounder Arduino 套件蓝色 LCD
// 第三方库：TimedAction (需手动修改库文件)
// 原生库：LiquidCrystal

// 全局变量
int backlightPin = 9;
int timerCounter = 0;
int stringNo = 0;
char* stringArray[] = {"Check it out... ", "I have 3 threads", "going at once...", "Cool, huh?! :D "};

// 初始化 LCD (RS, EN, D4, D5, D6, D7)
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

// 任务函数
void incrementNumber() {
  lcd.setCursor(0, 1);
  timerCounter++;
  lcd.print(timerCounter);
}

void changeText() {
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print(stringArray[stringNo]);
  if (stringNo >= sizeof(stringArray)/sizeof(char*)) {
    stringNo = 0;
    changeText();
  } else {
    stringNo++;
  }
}

// 定时任务对象 (间隔ms, 回调函数)
// 注意：必须在函数定义之后创建，否则编译报错
TimedAction numberThread = TimedAction(700, incrementNumber);
TimedAction textThread = TimedAction(3000, changeText);
// 第三个任务就是主循环本身 (背光脉冲)

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);
  changeText(); // 显示初始字符串
}

void loop() {
  // 检查子任务
  numberThread.check();
  textThread.check();

  // 任务1: 背光淡入 (主循环核心工作)
  digitalWrite(13, HIGH);
  for (int fadeValue = 0; fadeValue <= 255; fadeValue += 10) {
    numberThread.check(); textThread.check(); // 必须在循环内检查!
    analogWrite(backlightPin, fadeValue);
    delay(20); // 保持极短延迟
  }

  // 任务1: 背光淡出
  digitalWrite(13, LOW);
  for (int fadeValue = 255; fadeValue >= 0; fadeValue -= 10) {
    numberThread.check(); textThread.check();
    analogWrite(backlightPin, fadeValue);
    delay(20);
  }
  // 循环结束，回到开头继续
}