Cílem úlohy je získat zkušenost s využitím pojmenované roury pro komunikaci aplikace v počítači s poskytnutým Modulem a práci s více vlákny pro zpracování více zdrojů událostí.

Realizujte program, kterým bude řízeno blikání LED v Modulu.
Program musí obsahovat následující funcionality:

• Čte klávesy (bez nutnosti stisku klávesy enter) a reaguje na stisk kláves se znaky 's', 'e', 'h', 'b', a '1'-'5', které přeposílá Modulu.
• Při stisku klávesy 'q' ukončuje program svou činnost (koretně zastaví všechna vlákna).
• Průběžně zobrazuje stav LED, poslední odeslaný a přijatý příkaz, peridou blikání a počet přijatých informací o počtu rozsvěcení LED ve tvaru:

  "\rLED %3s send: '%c' received: '%c', T = %4d ms, ticker = %4d"

  kde jednotlivé řidící znaky formátování znamenají:
  • %3s je on nebo off podle stavu LED,
  • %c je poslední vyslaný znak (mezera ' ' po startu),
  • další %c je posledně přijatý znak ('?' v případě nové zprávy zatím bez odpovědi),
  • %4d je doba rozsvěcení/zhasnnutí LED (uvažujeme stejnou dobu, kdy LED svítí a kdy je zhasnutá, tj. PWM se střídou 1:1) odhadnutá na základě přijatých zpráv od Modulu za časový interval 5 sekund (výpis hodnoty periody je zarovnaný na 4 pozice),
  • poslední %4d je počet přijatý znaků 'x' indikující změnu stavu LED při blikání.

Pro výpis využijte přepisování řádku znakem '\r'. Po odeslaní znaku 's' a 'e' je stav LED (on nebo off) nastaven až po přijeti potvrzovacího znaku 'a'.

• 'i' - init - může vyslat Modul po startu, žádná reakce není očekávána.
• 's' - start - vysílá PC, Modul reaguje rozsvícením LED a odpovědí 'a'.
• '1' - set 1 - vysílá PC, Modul reaguje nastavením periody blikání LED na 50 ms (tj. 50 ms LED svítí a 50 ms je zhasnuta) a odpovědí 'a'.
• '2' - set 2 - vysílá PC, Modul reaguje nastavením periody blikání LED na 100 ms a odpovědí 'a'.
• '3' - set 3 - vysílá PC, Modul reaguje nastavením periody blikání LED na 200 ms a odpovědí 'a'.
• '4' - set 4 - vysílá PC, Modul reaguje nastavením periody blikání LED na 500 ms a odpovědí 'a'.
• '5' - set 5 - vysílá PC, Modul reaguje nastavením periody blikání LED na 1000 ms a odpovědí 'a'.
• 'e' - end - vysílá PC, Modul reaguje zhasnutím LED a odpovědí 'a'.
• 'h' - hello - vysílá PC, Modul reaguje zasláním 'h' a výpisem “hello” na stdout.
• 'b' - bye - vysílá PC, Modul odpovídá 'b' a reaguje opuštěním main() funkce a ovládací program následně po přijetí 'b' ukončuje svou činnost. Aby bylo možné ukončit program po přijetí znaku 'b', je nutné ukončit načítání znaku ze stdin, např. neblokovaným přístup s pollingem podobně jako čtení z roury.

Dále Modul v případě, že periodicky bliká LED, vysílá znak 'x' při rozsvícení LED a znak 'o' při zhasnutí LED.

Program obsluhuje dva zdroje asynchronních událostí - z klavesnice a z modulu. Pro každý takový zdroj je výhodné realizovat samostatné vlákno, které řeší konkrétní vstup. Kromě toho můžeme identifikovat proces počítání periody na základě přijatých zpráv z Modulu, ze kterých počítáme průměrnou periodu za 5 sekund, což můžeme realizovat samostatným vláknem, které periodicky po 5 sekundách spočítá průměr. V neposlední řadě máme společný sdílený prostředek, kterým je výstup na terminál v podobě stavového řádku, to můžeme realizovat jako sdílený přístup ke zdroji prostřednictvím zámku (mutexu), nicméně pak by každé vlákno musele vypisovat celý řádek. Proto může být výhodnější realizovat samostnatné vlákno, které bude vypisovat stav aplikace pokud dojde k nějaké změně (realizujeme jako čekání na podmíněnou proměnnou conditional variable. Dalším sdíleným prostředkem je zasílání zpráv modulu, nicméně z principu funkce programu se to děje pouze po uživatelské interakce, tj. stisku klávesy. Program tak realizujeme Boss/worker architekturou, kde hlavní vláknou vytvoří jednotlivá vlákna a následně bude čekat na jejich ukončení, podobně jako v příkladu z přednášky 11.

Mezi vlákny můžeme sdílet společnou strukturu, ve které budeme mít informace potřebné k výpisu na stdout, tj. stav LED, poslední odeslaný znak, poslední přijatý znak, odhadnutá perioda blikání. Dále pak informaci o požadavkuna ukončení programu, tak abychom korektně ukončili všechna vlákna, informaci o počtu přijatých bliknutích LED, případně odkazy na soubory pro čtení a zápis (file descriptor) pojmenované roury pro čtení a zápis realizující komunikaci s Modulem, to pokud otevření souborů realizujeme v hlavním vlákně, což může být výhodné, pokud se otevření nezdaří, nebudeme ani ostatní vlákna pouštět. Dále též proměnnou typu mutex a podmíněnnou proměnnou pro synchronizaci vláken.

• Incializuje sdílenou datovou strukturu a struktury pro hromadnou správu vláken.
• Otevírá soubory (roury) pro komunikaci.
• Vytváří vlákna
• Čeká na ukončení vláken.

• Smyčka čtení z klávesnice.
• Vláknou, které inciuje ukončení programu, po stisku 'q'.
• Reaguje na stisky jednotlivých kláves.
• Dle stisknuté klávesy, zasílá zprávu modulu a mění stav programu.
• Pokud dojde ke změně stavu programu, může informovat zobrazovací vlákno.
• Po ukončení smyčky načítání z klávesnice, informuje všechna případně blokovaná vlákna (pthread_cond_broadcast())

• Periodicky čte ze souboru (pojmenované roury).
• Využívá funkce io_getc_timeout() pro neblokované čtení, aby bylo případně vlákno možné ukončit.
• Pokud nastal požadavek na ukončení programu, ukončuje cyklus načítání ze souboru.
• Přijatou zprávu (znak) nastavuje do sdílené datové struktury (stavu programu).
• Na příjem zprávy 'o' inkrementuje počítadlo rozsvícení LED a nastavuje stav LED na zapnuto.
• Na příjem zprávy 'x' nastavuje stav LED na vypnuto.
• Na příjem potvrzení předchozí zprávy ('s' nebo 'e') reaguje změnou nastavení stavu LED.
• V případně změnu stavu notifikuje výstupní vláknou, např. pthread_cond_broadcast().
• V případě chyby načítání se vlákno ukončuje, nastavuje požadavek na ukončení (např. shared_data→quit = true; a notifikuje ostatní vlákna, pokud jsou blokována (pthread_cond_broadcast().

• Vlákno periodicky usíná (usleep() na 5 sekund.
• Po probuzení počítá odhad periody rozsvěcení diody na základě sdílené proměnné s počítadlem rozsvěcení.
• Pokud je počítadlo nula, nastavuje odhad doby na -1.
• Po změně stavu může informovat výstupné vlákno.
• Smyčka periodického usinání končí, pokud je detekován požadavek na ukončení programu (vláken).

• Vlákno periodicky vypisuje stavový řádek dle zadání.
• Po výpisu čeká na signál od ostatních vláken - pthread_cond_wait().
• V případě požadavku na ukončení, se smyčka periodického čekání na signál od ostatních vláken a aktualizace výpisu ukončuje.

• V případě hlavní fronty zpráv je výhodné realizovat komunikaci mezi vlákny výhradně prostřednictvím zpráv, kromě řešení ukončení.
• To znaméná, že jediné vlákno, které volá nad frontou pop() je hlavní vlákno. Všechna ostatní vlákna volají push().
• Vlákna zpracovávající asynchroní událost tak nemusejí realizovat konkrétní akci, ale přeposíjají událost (zpráva z Modulu, stisk klávesy, případně i uběhnutí periody 5 sekund) hlavnímu vláknu.
• Výstup na stdout případně i zasílání zpráv Modulu tak můžeme řešit z hlavního vlákna v obsluze událostí.
• Proto v obsluze klávesnice po stisku klávesy 'q' dojde k ukončení vlákna (opuštění cyklu načítání stisknuté klávesy), ale ještě předtím vložíme událost do fronty, např. zprávy typu EV_QUIT.

Program pokud možno realizujte na cvičení, nahrajte do odevzdávacího systému. Funkčnost programu ověří učitel na cvičení nebo na dalším cvičení.