【试用报告】RP2040上的MicroPython环境中多线程编程

电子发烧友论坛 2023-04-18 5505

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描述

双核介绍

BPI-Pico-RP2040官方介绍如下：


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其核心是RP2040，采用的是ARM Cortex M0+ CPU内核，运行频率高达 133 MHz。


比一般使用Cortex M0+的MCU更强大的是，RP2040使用了双核ARM Cortex M0+，既然是双核的，那么我们就可以在BPI-Pico-RP2040运行多线程程序了，更好的挖掘出其潜力来。


多线程了解

关于什么是多线程，本文不讲，大家可以自行查找资料详细了解。


为了更方便的进行测试，本次所有的实例，都是在python环境中进行的。


经过了解，circuitpython还不支持多线程，而micropython则已经提供支持。


不过micropython中的多线程还是实验性质的支持，这从官方文档中可以了解：MicroPython libraries » _thread – multithreading support


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micropython官方为RP2040提供的最新固件为v1.19.1，其已提供对多线程的支持。


因为micropython的多线程基于CPython中的_thread模块，所以可以从Python官方文档了解其具体用法：_thread --- 底层多线程 API


如果是开始使用多线程，那么先关注如下的调用，等熟悉了以后，再深入学习其他的：

  • _thread.start_new_thread(function, args[, kwargs])：开启一个新线程

  • _thread.allocate_lock()：返回一个新的锁对象

  • lock.acquire(blocking=True, timeout=- 1)：申请获得锁

  • lock.release()：释放锁


本文中所有的实例代码，都可以从以下地址获取：

Pico(RP2040)上的MicroPython环境中多线程编程https://gitee.com/honestqiao/multithread_in_micropython_on_pico


基础多线程

首先，用一个简单的micropython程序，来控制板载的LED不同时间点亮和熄灭

# file: multicore_test01.py
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()

（左右移动查看全部内容）


在RP2040的micropython环境中，程序默认在core0上运行，使用_thread.start_new_thread()启动新的线程后，将会在core1上运行。


上面的程序运行后，具体输出结果如下：


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在run_on_core1中，先延时300ms，然后点亮led，再延时700ms，然后继续循环


在run_on_core0中，先延时700ms，然后熄灭led，再延时300ms，然后继续循环


从以上的输出可以看到，点亮和熄灭led，都对应到了对应的时间点。


也许有人会说，这有啥用，我不用多线程，也完全可以在对应的时间点点亮和熄灭LED，用多线程岂不是多此一举。


上面的例子，是一个基础的多线程演示，其只是在两个线程中，控制同一个LED，所以会觉得意义不大。如果我们的程序要同时做两件不同的事情，那么每件事情在一个core上运行，互不干扰，就很重要的，在后面会有这样的实例展示。


确认双线程

在不同的开发板上，对多线程的支持，也是有差异的。


RP2040上的micropython，只能跑两个线程，每个线程占用1个core，多了就会出错。


我们可以用下面的程序进行验证：

# file: multicore_test02.py


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)

（左右移动查看全部内容）


运行上面的程序后，将会出现如下的错误信息：


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其原因在于，主程序本身，使用了core0，而使用_thread.start_new_thread()创建一个线程时，会自动的使用core1，第二次调用_thread.start_new_thread()再次创建一个线程时，无法再使用core1，所以就会出错。


在core1上运行的子线程，需要使用_thread.start_new_thread()创建，所以其运行的需要使用一个函数进行调用作为入口。


而程序的主线程，运行在core0上，可以直接在程序主流程中写运行逻辑，也可以写一个函数调用，效果是一样的。


后续的实例中，我们将使用run_on_core0()和run_on_core1()来区分在core0、core1的所运行的线程。



线程间交互


全局变量

通常时候，让两个线程，分别做各自独立的事情，可以运行的很好。


但有的时候，我们可能还需要两个之间，能够有一些交流。


最简单的方法，就是使用一个全局变量，然后两个线程之间，都调用这个全局变量即可。


下面用一个简单的程序进行演示：

# file: multicore_test03.py
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()

（左右移动查看全部内容）


在上面的程序中，core0上的程序，每隔1秒，将status取反一次。core1上的程序，则根据status的值，来点亮或者熄灭LED。


线程锁

上面这个程序比较简单，处理起来的速度很快，所以这么实用，不会有什么问题。


如果我们有一个程序需要两个线程进行配合，例如主线程进行数据采集分析，而子线程进行数据的呈现，就有可能会出现问题了。


我们看一看下面的程序：

# file: multicore_test04.py
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()

（左右移动查看全部内容）


在core0的主线程中，根据status的值，将data设置为100个0或者1；而在core1的子线程中，则将其值合并为字符串输出出来，输出的同时，显示字符串的长度。


运行上面的程序后，实际输出结果如下：


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按说，其长度，要么是空，要么是100，可是实际结果却会出现不为100的情况呢？


这是因为，core0上的主线程在操作data，core1的子线程也在操作data，两者都是在同时进行的，而多个控制线程之间是共享全局数据空间，那么就会出现，core0上的主线程处理数据处理到到一半了，core1的子线程已经开始操作了，这样就会出现问题，数据不完整了。


显然，这种情况，是我们所不期望的。那要解决这种情况，可以用一个全局变量作为标志，主线程告诉子线程是否处理完成了，一旦处理完成了，子线程就可以开始处理了。


但线程调用库本身，有更好的办法，那就是锁。


我们先看下面的程序：

# file: multicore_test05.py
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()

（左右移动查看全部内容）


在上面的程序中，启动线程之前，使用 _thread.allocate_lock() 来获取一个新的锁，然后在core0的主线程中，处理数据前，使用 lock.acquire() 获得锁，处理完成后，再使用lock.release()释放锁。


一但一个线程获得锁，那么其他线程想要获得该锁时，只能等待直到这个锁被释放，也就是不能同时获得，这在python中叫做互斥锁。


因而，在core1的子线程，要输出数据的时候，也使用同样的机制来获得和释放锁。


最终，data改变时，其他地方需要等待改变完成。data输出时，其他地方也需要等待输出完成。从而确保了任何时刻，对只有一个地方操作改数据。


运行上面的程序，就能得到理想的输出了：


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运行中启动线程

前面演示的程序，都是在主线程中，启动了子线程，然后并行运行。


在实际使用中，还可以在主线程中，按需启动子线程。

我们先看下面的程序：

# file: multicore_test06.py
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()

（左右移动查看全部内容）


在上面的程序中，core0上运行的主线程，会每过1秒启动一个子线程。子线程在core1上运行完以后，会自动退出。


运行后，输出如下：


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需要特别注意的是，如果子线程还没有退出，那么再次启动，将会出现错误。


例如我们修改上面的程序的延时如下：

# file: multicore_test07.py
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()

（左右移动查看全部内容）


运行后，就会出错：

[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，子线程还没有结束，主线程又再次启动主线程了。


这在多线程编程中，是需要特别注意的问题。


要解决这个问题，可以使用前面主线程和子线程交互中的方法，例如使用一个全局变量表示子线程是否运行完成，或者使用锁。


下面是一个使用锁的程序：

# file: multicore_test08.py
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()

（左右移动查看全部内容）


运行后，输出如下：

[core0] start thread:
[core1] run thread
[core0] start thread:
[core1] run thread
[core0] start thread:
[core1] run thread
[core0] start thread:
[core1] run thread



多线程的实例


双线程做pwm和ws2812b

下面，再用一段稍微复杂一点点的程序，演示多线程的使用。

# file: multicore_test09.py
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()

（左右移动查看全部内容）


在上面的这段程序中，我们会在core0上运行的主线程中，控制GPIO25的输出占空比，从而让板载LED产生类似呼吸灯的效果。同时，还会在core1上运行的子线程中，控制板载WS2812B灯珠变色。


双线程播放Bad Apple

最后，我们再用经典的Bad Apple，作为这篇文章的结尾。

# file: multicore_test10.py
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()

（左右移动查看全部内容）


上面的代码，使用core0上运行的主线程，来从pbm文件中读取需要呈现的图片数据，而在core1上运行的子线程中，则使用读取到的数据输出到OLED进行显示。


因为受限于Pico内置存储的限制，并没有存储完整的Bad Apple数据，所以只播放了部分。如果感兴趣，可以将数据放置到SD卡上，主线程读取数据，子线程显示数据，一样丝滑流畅。



后记


多线程是个让人有爱又恨的东西，用好了能有大作用，但是用不好可能会出现莫名其妙的问题，需要好好钻研。本文只是一些较为基础的研究，还比较浅显，对于gc等方面，都尚未涉及，感兴趣的读者可以进一步深入了解。


在钻研的过程中，参考了不少资料，对所有资料的贡献者表示感谢。以下为参考到的部分资料列表：

  • 树莓派Pico迷你开发板MicroPython多线程编程实践

  • Multithreaded on Raspberry Pi Pico (MicroPython)

  • Raspberry Pi Pico Dual Core Programming

  • Multi Thread Coding on the Raspberry Pi Pico in Micropython

  • pico-micropython-examples

  • Raspberrypi Pico MicroPython Cookbook

  • MicroPython类库 » _thread --- 线程

  • ESP32上驱动OLED屏幕播放你想要的视频


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