Почему необходимо использовать ключевое слово volatile для глобальных переменных при обработке прерываний в ардуино?

volatile не имеет ничего общего с многопоточностью как таковой, и, похоже, это одно из наиболее часто используемых ключевых слов в этой области. Это никогда не заменяет правильную синхронизацию.

В соответствии со стандартом C, volatile вызывает в основном поведение, определяемое реализацией, указывающее компилятору не оптимизировать доступ к памяти, в которой находится переменная, даже если компилятор считает, что другого не может быть.

Это может быть полезно в следующих ситуациях, когда компилятор не знает, что внешние средства могут изменить переменную:

• аппаратные регистры, сопоставленные с памятью
• переменные, доступные из других потоков, но проверяемые в узком цикле
• переменные, доступные из обработчиков прерываний или сигналов, но проверяемые в узком цикле

Во-первых, он летучий, а не Летучий. Я освещаю эти концепции на своей странице о прерываниях, однако, чтобы избежать ответа только по ссылке, я повторю соответствующие фрагменты.

---

Что такое "изменчивые" переменные?

Переменные, разделяемые между функциями ISR и обычными функциями, должны быть объявлены изменчивыми. Это говорит компилятору, что такие переменные могут измениться в любое время, и поэтому компилятор должен перезагружать переменную всякий раз, когда вы ссылаетесь на нее, вместо того, чтобы полагаться на копию, которую она может иметь в регистре процессора.

Например:

volatile boolean flag;

// Процедура обслуживания прерываний (ISR)
void isr ()
{
 flag = true;
}  // end of isr

void setup ()
{
  attachInterrupt (0, isr, CHANGE);  // присоединить обработчик прерываний
}  // end of setup

void loop ()
{
  if (flag)
    {
    // произошло прерывание
    }
}  // end of loop

---

Критические разделы ... доступ к изменчивым переменным

Существуют некоторые тонкие проблемы, касающиеся переменных, которые являются общими для подпрограмм обслуживания прерываний (ISR) и основного кода (то есть кода, не содержащегося в ISR).

Поскольку ISR может сработать в любое время, когда включены прерывания, вам нужно быть осторожным при доступе к таким общим переменным, так как они могут обновляться в тот самый момент, когда вы получаете к ним доступ.

---

Первый... когда вы используете "изменчивые" переменные?

Переменная должна быть помечена как изменчивая только в том случае, если она используется как внутри ISR, так и за его пределами.

• Переменные, используемые только за пределами ISR, не должны быть изменчивыми.
• Переменные, используемые только внутри ISR, не должны быть изменчивыми.
• Переменные, используемые как внутри, так и вне ISR, должны быть изменчивыми.

напр..

volatile int counter;

Пометка переменной как изменчивой указывает компилятору не "кэшировать" содержимое переменной в регистре процессора, а всегда считывать ее из памяти, когда это необходимо. Это может замедлить обработку, поэтому вы не просто делаете каждую переменную изменчивой, когда в этом нет необходимости.

---

Атомарный доступ

Рассмотрим этот код:

volatile byte count;

ISR (TIMER1_OVF_vect)
  {
  count = 10;
  }

void setup ()
  {
  }

void loop () 
  {
  count++;
  }

Код, сгенерированный для count++ (добавьте 1 к count), выглядит следующим образом:

 14c:   80 91 00 02     lds r24, 0x0200
 150:   8f 5f           subi    r24, 0xFF     <<---- проблема, если прерывание происходит до его выполнения
 152:   80 93 00 02     sts 0x0200, r24   <<---- проблема, если прерывание происходит до его выполнения

(Обратите внимание, что он добавляет 1, вычитая -1)

Здесь есть две опасные точки, как указано. Если прерывание срабатывает после lds (загрузить регистр 24 с количеством переменных), но до sts (сохранить обратно в число переменных), то переменная может быть изменена ISR (TIMER1_OVF_vect), однако это изменение теперь потеряно, поскольку вместо этого использовалась переменная в регистре.

Нам нужно защитить общую переменную, на короткое время отключив прерывания, например:

volatile byte count;

ISR (TIMER1_OVF_vect)
  {
  count = 10;
  }  // end of TIMER1_OVF_vect

void setup ()
  {
  }  // end of setup

void loop () 
  {
  noInterrupts ();
  count++;
  interrupts ();
  } // end of loop

Теперь обновление подсчета производится "атомарно"... то есть его нельзя прервать.

---

Многобайтовые переменные

Давайте сделаем count 2-байтовой переменной и рассмотрим другую проблему:

volatile unsigned int count;

ISR (TIMER1_OVF_vect)
  {
  count++;
  } // end of TIMER1_OVF_vect

void setup ()
  {
  pinMode (13, OUTPUT);
  }  // end of setup

void loop () 
  {
  if (count > 20)
     digitalWrite (13, HIGH);
  } // end of loop

Хорошо, мы больше не меняем количество, так что все еще есть проблема? К сожалению, да. Давайте посмотрим на сгенерированный код для оператора "если":

 172:   80 91 10 02     lds r24, 0x0210
 176:   90 91 11 02     lds r25, 0x0211  <<---- problem if interrupt occurs before this is executed
 17a:   45 97           sbiw    r24, 0x15   
 17c:   50 f0           brcs    .+20        

Представьте, что счетчик был 0xFFFF и собирался "обернуться" обратно к нулю. Мы загружаем 0xFF в один регистр, но перед загрузкой второго 0xFF переменная изменяется на 0x00. Теперь мы думаем, что count равен 0x00FF, что не соответствует значению, которое у него было раньше (0xFFFF) или сейчас (0x0000).

Поэтому мы снова должны "защитить" доступ к общей переменной, как это:

void loop () 
  {
  noInterrupts ();
  if (count > 20)
     digitalWrite (13, HIGH);
  interrupts ();
  }  // end of loop

---

Что делать, если вы не уверены, включены или выключены прерывания?

Здесь есть последнее "попался". Что, если прерывания уже могут быть отключены? Затем включать их снова после этого-плохая идея.

В этом случае вам нужно сохранить регистр состояния процессора следующим образом:

unsigned int getCount ()
  {
  unsigned int c;
  byte oldSREG = SREG;   // запомнить, включены или выключены прерывания

  noInterrupts ();   // отключить прерывания
  c = count;         // доступ к общей переменной
  SREG = oldSREG;    // снова включить прерывания, если они были включены раньше

  return c;          // вернуть копию общей переменной
  }  // end of getCount

Этот "безопасный" код сохраняет текущее состояние прерываний, отключает их (возможно, они уже отключены), переводит общую переменную во временную переменную, снова включает прерывания - если они были включены, когда мы вводили функцию - и затем возвращает копию общей переменной.

---

Краткие сведения

Код может "показаться работающим", даже если вы не предпримете вышеуказанных мер предосторожности. Это связано с тем, что вероятность прерывания, возникающего в совершенно неподходящий момент, довольно мала (возможно, 1 из 100, в зависимости от размера кода). Но рано или поздно это произойдет в неподходящий момент, и ваш код либо выйдет из строя, либо время от времени будет возвращать неправильные результаты.

Поэтому для надежного кода обратите внимание на защиту доступа к общим переменным.