雙核介紹
BPI-Pico-RP2040官方介紹如下:
其核心是RP2040,采用的是ARM Cortex M0+ CPU內(nèi)核,運行頻率高達 133 MHz。
比一般使用Cortex M0+的MCU更強大的是,RP2040使用了雙核ARM Cortex M0+,既然是雙核的,那么我們就可以在BPI-Pico-RP2040運行多線程程序了,更好的挖掘出其潛力來。
多線程了解
關(guān)于什么是多線程,本文不講,大家可以自行查找資料詳細了解。
為了更方便的進行測試,本次所有的實例,都是在python環(huán)境中進行的。
經(jīng)過了解,circuitpython還不支持多線程,而micropython則已經(jīng)提供支持。
不過micropython中的多線程還是實驗性質(zhì)的支持,這從官方文檔中可以了解:MicroPython libraries ? _thread – multithreading support
micropython官方為RP2040提供的最新固件為v1.19.1,其已提供對多線程的支持。
因為micropython的多線程基于CPython中的_thread模塊,所以可以從Python官方文檔了解其具體用法:_thread --- 底層多線程 API
如果是開始使用多線程,那么先關(guān)注如下的調(diào)用,等熟悉了以后,再深入學習其他的:
_thread.start_new_thread(function, args[, kwargs]):開啟一個新線程
_thread.allocate_lock():返回一個新的鎖對象
lock.acquire(blocking=True, timeout=- 1):申請獲得鎖
lock.release():釋放鎖
本文中所有的實例代碼,都可以從以下地址獲?。?/p>
Pico(RP2040)上的MicroPython環(huán)境中多線程編程https://gitee.com/honestqiao/multithread_in_micropython_on_pico
基礎(chǔ)多線程
首先,用一個簡單的micropython程序,來控制板載的LED不同時間點亮和熄滅
import machine
import _thread
import utime
led = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)
led.off()
key = 0
start_time = 0
def run_on_core1():
global start_time
while start_time == 0:
pass
while True:
utime.sleep_ms(300)
print((utime.ticks_us()-start_time)//100000, "led on")
led.on()
utime.sleep_ms(700)
def run_on_core0():
global start_time
start_time = utime.ticks_us()
while True:
utime.sleep_ms(700)
print((utime.ticks_us()-start_time)//100000, "led off")
led.off()
utime.sleep_ms(300)
_thread.start_new_thread(run_on_core1, ( ))
run_on_core0()
(左右移動查看全部內(nèi)容)
在RP2040的micropython環(huán)境中,程序默認在core0上運行,使用_thread.start_new_thread()啟動新的線程后,將會在core1上運行。
上面的程序運行后,具體輸出結(jié)果如下:
在run_on_core1中,先延時300ms,然后點亮led,再延時700ms,然后繼續(xù)循環(huán)
在run_on_core0中,先延時700ms,然后熄滅led,再延時300ms,然后繼續(xù)循環(huán)
從以上的輸出可以看到,點亮和熄滅led,都對應到了對應的時間點。
也許有人會說,這有啥用,我不用多線程,也完全可以在對應的時間點點亮和熄滅LED,用多線程豈不是多此一舉。
上面的例子,是一個基礎(chǔ)的多線程演示,其只是在兩個線程中,控制同一個LED,所以會覺得意義不大。如果我們的程序要同時做兩件不同的事情,那么每件事情在一個core上運行,互不干擾,就很重要的,在后面會有這樣的實例展示。
確認雙線程
在不同的開發(fā)板上,對多線程的支持,也是有差異的。
RP2040上的micropython,只能跑兩個線程,每個線程占用1個core,多了就會出錯。
我們可以用下面的程序進行驗證:
import machine
import _thread
import utime
def thread_1():
while True:
print("thread_1")
utime.sleep_ms(1000)
def thread_2():
while True:
print("thread_2")
utime.sleep_ms(1000)
_thread.start_new_thread(thread_1, ( ))
_thread.start_new_thread(thread_2, ( ))
while True:
print("main")
utime.sleep_ms(1000)
(左右移動查看全部內(nèi)容)
運行上面的程序后,將會出現(xiàn)如下的錯誤信息:
其原因在于,主程序本身,使用了core0,而使用_thread.start_new_thread()創(chuàng)建一個線程時,會自動的使用core1,第二次調(diào)用_thread.start_new_thread()再次創(chuàng)建一個線程時,無法再使用core1,所以就會出錯。
在core1上運行的子線程,需要使用_thread.start_new_thread()創(chuàng)建,所以其運行的需要使用一個函數(shù)進行調(diào)用作為入口。
而程序的主線程,運行在core0上,可以直接在程序主流程中寫運行邏輯,也可以寫一個函數(shù)調(diào)用,效果是一樣的。
后續(xù)的實例中,我們將使用run_on_core0()和run_on_core1()來區(qū)分在core0、core1的所運行的線程。
線程間交互
全局變量
通常時候,讓兩個線程,分別做各自獨立的事情,可以運行的很好。
但有的時候,我們可能還需要兩個之間,能夠有一些交流。
最簡單的方法,就是使用一個全局變量,然后兩個線程之間,都調(diào)用這個全局變量即可。
下面用一個簡單的程序進行演示:
import machine
import _thread
import utime
led = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)
led.off()
status = 0
def run_on_core1():
global status
while True:
if status:
led.on()
else:
led.off()
utime.sleep_ms(100)
def run_on_core0():
global status
while True:
status = 1 if not status else 0
utime.sleep_ms(1000)
_thread.start_new_thread(run_on_core1, ( ))
run_on_core0()
(左右移動查看全部內(nèi)容)
在上面的程序中,core0上的程序,每隔1秒,將status取反一次。core1上的程序,則根據(jù)status的值,來點亮或者熄滅LED。
線程鎖
上面這個程序比較簡單,處理起來的速度很快,所以這么實用,不會有什么問題。
如果我們有一個程序需要兩個線程進行配合,例如主線程進行數(shù)據(jù)采集分析,而子線程進行數(shù)據(jù)的呈現(xiàn),就有可能會出現(xiàn)問題了。
我們看一看下面的程序:
import machine
import _thread
import utime
led = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)
led.off()
status = 0
data = []
def run_on_core1():
global status, data
while True:
if status:
led.on()
else:
led.off()
str_data = ''.join(data)
print("str_data: len=%d content=%s" % (len(str_data), str_data))
utime.sleep_ms(1000)
def run_on_core0():
global status, data
while True:
status = 1 if not status else 0
data = []
for i in range(100):
data.append(str(status))
utime.sleep_ms(10)
utime.sleep_ms(1000)
_thread.start_new_thread(run_on_core1, ( ))
run_on_core0()
(左右移動查看全部內(nèi)容)
在core0的主線程中,根據(jù)status的值,將data設(shè)置為100個0或者1;而在core1的子線程中,則將其值合并為字符串輸出出來,輸出的同時,顯示字符串的長度。
運行上面的程序后,實際輸出結(jié)果如下:
按說,其長度,要么是空,要么是100,可是實際結(jié)果卻會出現(xiàn)不為100的情況呢?
這是因為,core0上的主線程在操作data,core1的子線程也在操作data,兩者都是在同時進行的,而多個控制線程之間是共享全局數(shù)據(jù)空間,那么就會出現(xiàn),core0上的主線程處理數(shù)據(jù)處理到到一半了,core1的子線程已經(jīng)開始操作了,這樣就會出現(xiàn)問題,數(shù)據(jù)不完整了。
顯然,這種情況,是我們所不期望的。那要解決這種情況,可以用一個全局變量作為標志,主線程告訴子線程是否處理完成了,一旦處理完成了,子線程就可以開始處理了。
但線程調(diào)用庫本身,有更好的辦法,那就是鎖。
我們先看下面的程序:
import machine
import _thread
import utime
led = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)
led.off()
status = 0
data = []
def run_on_core1():
global status, data
while True:
if status:
led.on()
else:
led.off()
lock.acquire()
str_data = ''.join(data)
print("str_data: len=%d content=%s" % (len(str_data), str_data))
lock.release()
utime.sleep_ms(1000)
def run_on_core0():
global status, data
while True:
status = 1 if not status else 0
lock.acquire()
data = []
for i in range(100):
data.append(str(status))
utime.sleep_ms(10)
lock.release()
utime.sleep_ms(1000)
lock = _thread.allocate_lock()
_thread.start_new_thread(run_on_core1, ( ))
run_on_core0()
(左右移動查看全部內(nèi)容)
在上面的程序中,啟動線程之前,使用 _thread.allocate_lock() 來獲取一個新的鎖,然后在core0的主線程中,處理數(shù)據(jù)前,使用 lock.acquire() 獲得鎖,處理完成后,再使用lock.release()釋放鎖。
一但一個線程獲得鎖,那么其他線程想要獲得該鎖時,只能等待直到這個鎖被釋放,也就是不能同時獲得,這在python中叫做互斥鎖。
因而,在core1的子線程,要輸出數(shù)據(jù)的時候,也使用同樣的機制來獲得和釋放鎖。
最終,data改變時,其他地方需要等待改變完成。data輸出時,其他地方也需要等待輸出完成。從而確保了任何時刻,對只有一個地方操作改數(shù)據(jù)。
運行上面的程序,就能得到理想的輸出了:
運行中啟動線程
前面演示的程序,都是在主線程中,啟動了子線程,然后并行運行。
在實際使用中,還可以在主線程中,按需啟動子線程。
我們先看下面的程序:
import machine
import _thread
import utime
def run_on_core1():
print("[core1] run thread")
utime.sleep_ms(100)
def run_on_core0():
while True:
print("[core0] start thread:")
_thread.start_new_thread(run_on_core1, ( ))
utime.sleep_ms(1000)
run_on_core0()
(左右移動查看全部內(nèi)容)
在上面的程序中,core0上運行的主線程,會每過1秒啟動一個子線程。子線程在core1上運行完以后,會自動退出。
運行后,輸出如下:
需要特別注意的是,如果子線程還沒有退出,那么再次啟動,將會出現(xiàn)錯誤。
例如我們修改上面的程序的延時如下:
import machine
import _thread
import utime
def run_on_core1():
print("[core1] run thread")
utime.sleep_ms(1000)
def run_on_core0():
while True:
print("[core0] start thread:")
_thread.start_new_thread(run_on_core1, ( ))
utime.sleep_ms(100)
run_on_core0()
(左右移動查看全部內(nèi)容)
運行后,就會出錯:
[core0] start thread:
[core1] run thread
[core0] start thread:
Traceback (most recent call last):
File "", line 17, in
File "", line 14, in run_on_core0
OSError: core1 in use
其原因就在于,子線程還沒有結(jié)束,主線程又再次啟動主線程了。
這在多線程編程中,是需要特別注意的問題。
要解決這個問題,可以使用前面主線程和子線程交互中的方法,例如使用一個全局變量表示子線程是否運行完成,或者使用鎖。
下面是一個使用鎖的程序:
import machine
import _thread
import utime
def run_on_core1():
lock.acquire()
print("[core1] run thread")
utime.sleep_ms(1000)
lock.release()
def run_on_core0():
while True:
print("[core0] start thread:")
lock.acquire()
_thread.start_new_thread(run_on_core1, ( ))
lock.release()
utime.sleep_ms(100)
lock = _thread.allocate_lock()
run_on_core0()
(左右移動查看全部內(nèi)容)
運行后,輸出如下:
[core0] start thread:
[core1] run thread
[core0] start thread:
[core1] run thread
[core0] start thread:
[core1] run thread
[core0] start thread:
[core1] run thread
多線程的實例
雙線程做pwm和ws2812b
下面,再用一段稍微復雜一點點的程序,演示多線程的使用。
import machine
import _thread
import utime
from ws2812 import WS2812
led = machine.Pin(25, machine.Pin.OUT)
led.off()
BLACK = (0, 0, 0)
RED = (255, 0, 0)
YELLOW = (255, 150, 0)
GREEN = (0, 255, 0)
CYAN = (0, 255, 255)
BLUE = (0, 0, 255)
PURPLE = (180, 0, 255)
WHITE = (255, 255, 255)
COLORS = (BLACK, RED, YELLOW, GREEN, CYAN, BLUE, PURPLE, WHITE)
ws = WS2812(3, 1) #WS2812(pin_num,led_count)
ws.pixels_fill(BLACK)
ws.pixels_show()
def run_on_core1():
while True:
for color in COLORS:
ws.pixels_fill(color)
ws.pixels_show()
utime.sleep_ms(200)
def run_on_core0():
duty = 0
step = 1
count = 0
while True:
led.on()
utime.sleep_ms(duty)
led.off()
utime.sleep_ms(10-duty)
count = count + 1
if count>10:
count = 0
duty = duty + step
if duty >= 10:
step = -1
if duty <= 0 :
step = 1
_thread.start_new_thread(run_on_core1, ( ))
run_on_core0()
(左右移動查看全部內(nèi)容)
在上面的這段程序中,我們會在core0上運行的主線程中,控制GPIO25的輸出占空比,從而讓板載LED產(chǎn)生類似呼吸燈的效果。同時,還會在core1上運行的子線程中,控制板載WS2812B燈珠變色。
雙線程播放Bad Apple
最后,我們再用經(jīng)典的Bad Apple,作為這篇文章的結(jié)尾。
from machine import SPI,Pin
from ssd1306 import SSD1306_SPI
import framebuf
import _thread
import utime
spi = SPI(1, 100000, mosi=Pin(11), sck=Pin(10))
display = SSD1306_SPI(128, 64, spi, Pin(9),Pin(8), Pin(1))
def run_on_core1():
global fbuf
while True:
if not fbuf == None:
display.fill(0)
lock.acquire()
display.blit(fbuf,19,0)
fbuf = None
lock.release()
display.show()
utime.sleep_ms(100)
def run_on_core0():
global fbuf
while True:
for i in range(1,139):
dirt = 'BAD_APPLE/' + str(i) + '.pbm'
print(i, dirt)
with open(dirt,'rb') as f :
f.readline()
f.readline()
data = bytearray(f.read())
lock.acquire()
fbuf = framebuf.FrameBuffer(data,88,64,framebuf.MONO_HLSB)
lock.release()
utime.sleep_ms(100)
fbuf = None
lock = _thread.allocate_lock()
_thread.start_new_thread(run_on_core1, ( ))
run_on_core0()
(左右移動查看全部內(nèi)容)
上面的代碼,使用core0上運行的主線程,來從pbm文件中讀取需要呈現(xiàn)的圖片數(shù)據(jù),而在core1上運行的子線程中,則使用讀取到的數(shù)據(jù)輸出到OLED進行顯示。
因為受限于Pico內(nèi)置存儲的限制,并沒有存儲完整的Bad Apple數(shù)據(jù),所以只播放了部分。如果感興趣,可以將數(shù)據(jù)放置到SD卡上,主線程讀取數(shù)據(jù),子線程顯示數(shù)據(jù),一樣絲滑流暢。
后記
多線程是個讓人有愛又恨的東西,用好了能有大作用,但是用不好可能會出現(xiàn)莫名其妙的問題,需要好好鉆研。本文只是一些較為基礎(chǔ)的研究,還比較淺顯,對于gc等方面,都尚未涉及,感興趣的讀者可以進一步深入了解。
在鉆研的過程中,參考了不少資料,對所有資料的貢獻者表示感謝。以下為參考到的部分資料列表:
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原文標題:【試用報告】RP2040上的MicroPython環(huán)境中多線程編程
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