KN34PC - Arduino

Разлиствайки в "дебрите на интернет" за приложения с Arduino, случайно попаднах на тема: Calculation speed tables, Arduino Forum [1], която остави в мен дълбока следа за анализа на алгоритмите, използваните функции и променливи в бъдещите ми ардуино-програми.

Графите са на пръв поглед стряскащи в разликата по параметър: време / брой инструкции за изпълнение в MCU.

Разглеждам лесно сравнимите, например:

Arduino commands: Digital write (pin witout PWM) и Assembly commands: Digital write to 8 pins

3,93 µs / 63 CPU cycles срещу 0,06 µs / 1 CPU Cycle! Разликата е очевидна.

На всичко отгоре, както в конкретни задачи, така и за посочения по-долу пример използвам функцията за установяване в лог. 1 (и след това: в лог. 0) не на един, а на шест изхода (D2, D3, D4, D5, D6, D7) и Arduino командата трябва да се изпълни по шест пъти, а с Assembly функцията това се извършва един път всички 8 изхода на port D, т.e без разглежданите допълнително функции по установяване на цикъл, сравнение, доп. лог. функции самото действие по време в единият случай ще заема

6 * 3,93 µs = 23,58 µs / 378 cycles срещу 0,06 µs / 1 сycle за едно и също действие.

Измерването така или иначе е лесния вариант на бегъл анализ, без значение на това, че e емпиричен и стойностите зависят пряко от входните условия.

За моя тестова задача си поставих просто установяване в лог. 1 ("светване" на светодиоди) и последващо установяване в лог. 0 ("загасяне" на светодиоди) на всички изходи в един порт (в случая с изходи D2, D3, D4, D5, D6 и D7 / Port D), като не манипулирам по никакъв начин бит 0 и бит 1 (D0 и D1 / RX/TX), отговорни за комуникацията в Arduino.

Резултатите са достъпни и без свързване на реални светодиоди в тестовата установка (скоростта на примигване е висока

), но за нагледност начертах и електрическата схема.

За измерване на време използвам серийния монитор: преди изпълнението отчитам времето при началото на стартиране на програмата, а след действието: времето при край на изпълнение. Разликата между двете времена е "почти" времето на изпълнение.

Понеже действието е в микросекундната област, повторих го многократно (1М пъти) за видимото отчитане в разликите и избягване на случайни грешки.

Предварително се застраховам от ръчно изчислените времена, скорости и сумарните им стойности: кодът в Arduino допълнително се оптимизира от GCC compiler на Atmel AVR microcontrollers. Какво се случва след него за мен е непредвидимо (и понякога води до интересни резултати: примерно видимо "къс" код се изпълнява по-бавно в сравнение с "по-дългия" такъв за едно и също действие върху еднакъв тип данни).

Приложил съм варианти на програмката с Arduino функции и директно писане в портовете (Arduino commands / direct port manipulation), както и използване на променливи с "неправилно" избран тип според изменението на входните данни (long / float). За мое учудване имаше разлика и в командите за установяване на цикъл (for {}, while {}, do {} while {}).

Да обобщим: при използвано Arduino Nano, захранено с 5V, осцилатор с керамичен резонатор на 16 MHz:

тест:	команди:	цикъл:	брояч:	време: µs
Тест 1	Arduino commands	for {}	long counter	50241156
Тест 2	direct port manipulation	for {}	long counter	2578080
Тест 3	Arduino commands	while {}	float counter	61297696
Тест 4	direct port manipulation	do {} while {}	float counter	13068696
Тест 5	direct port manipulation	do {} while {}	long counter	2012164
Тест 6	direct port manipulation	loop {}	long counter	3144004

За 1 000 000 действия:
Най-бърз тест: Тест 5 - 2012164 µs
Най-бавен тест: Тест 3 - 61297696 µs

или при използване на "бързия" метод:

1. за единица време Arduino ще изпълни примерно 30 пъти повече операции или 2. определен брой операции ще се изпълнят 30 пъти по-бързо. Това без никаква промяна в конфигурацията на системката. Мисля, че "печалбата" си заслужава!

С друг модул Arduino (заради малките отклонения в честотите на керамичните (не кварцови) резонатори?) времената предполагам ще са близки до моите, но порядъкът в отношението ще е същия.

След очевидните разлики във времената за изпълнение на едни и същи действия, върху едни и същи входни данни, но алгоритъм на "различен език" към Arduino започвам да разбирам "усмивката под мустак" за работата на Arduino, коментирана в разговори с мои приятели и колеги, дълго занимаващи се с "чисти" микропроцесорни системи, пишещи код на C, Assembler и др.

Лично за себе си знам, че няма да променя съществено навиците си на писане с Ардуиновските команди и функции (които са ми по-близки до човешкото мислене), но поне ще правя опити за оптимизация и писане на езици на по-ниско ниво в конкретни ситуации, свързани с времена на четене и запис на бързи процеси по входове и изходи, директно генериране сигнали с висока честота и др.