Arduino IDEでRaspberry Pi Pico：millisをwordで処理した時の異常

2022年4月14日：Arduino IDEでRaspberry Pi Pico：32bitマイコンがバグを生む
この検証用スケッチを書いてみました。

/*****  millisを使った時間待ち  *****/
//  uint32_tではなくwordで
word ms_0;
word ms_1;
void delay2(word dly)
{
    ms_0 = (word)millis();          // 開始値
    while(1){
        digitalWrite(2, HIGH);      // テスト用パルス出力
        ms_1 = (word)millis();      // 現在値
        if((ms_1 - ms_0) >= dly)   break;  // ★1 時間経過
//      if((word)(ms_1 - ms_0) >= dly)   break; // ★2
        digitalWrite(2, LOW);
    }
}

/*****  SETUP   *****/
void setup() {
    Serial.begin(9600);     // TX
    pinMode(2,  OUTPUT);    // PD2
    pinMode(3,  OUTPUT);    // PD3
    pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);    // LED
}

/*****  LOOP    *****/
void loop() {
byte f_xLED = 0;    // LED点滅用
word cnt = 0;       // loopカウンタ
char tx_bff[64];    // 送信文字列
    while(1){
      f_xLED ^= 1;                      // LED トグル
      digitalWrite(LED_BUILTIN, f_xLED);
      delay2(1000);                     // 1000ms wait
      sprintf(tx_bff, "#%4d %5u %5u",
            cnt, ms_1, ms_0);
      Serial.println(tx_bff);           // 改行
      cnt++;
      if(cnt > 9999)    cnt = 0;
    }
}

★1 と ★2の違いが重要。
★2は引き算結果を(word)でキャストしています。

Arduino UNOで動いていた＜★1＞の処理、
これをRaspberry Pi Picoに持ってくると、
　　cnt ms_1 ms_0
　# 61 62002 61002
　# 62 63002 62002
　# 63 64002 63002
　# 64 65002 64002 ←ここまで動いて停止

数値の比較ができず(32bitのマイナス値になる)、
時間待ち関数から抜け出せません。

これを＜★2＞のようにすると、Pi PicoでもArduino UNO
でもオーバーフロー発生部分を無事に通過できます。
こんな具合。
　　cnt ms_1 ms_0
　# 63 64002 63002
　# 64 65002 64002　←ここで止まっていたのが、
　# 65 　 466 65002　 (65536+466=66002) 通過
　# 66 　1466 　466
　# 67 　2466　1466
　# 68 　3466　2466

符号なし16bit値同士の減算、オーバーフローが起こっても
16bitならうまく「差」が算出されます。
「466 - 65002」は16進だと「01D2 - FDEA」。
「01D2 - FDEA = FFFF・03E8」となり、不要な上位の
「FFFF」は捨てられて下位の16bit値、「03E8」が出てきます。
16進の03E8は10進で1000。
ちゃんと1000ms待ちが動きます。

それが32bitマイコンだと「暗黙の型変換と符号拡張」 が悪さをして、
「01D2 - FDEA = FFFF・03E8 = -64536」とマイナスの値になって
しまいます。
　　※符号なし16bit = word = uint16_t で比較されるつもりが
　　　符号付の long = int32_t (32bitマイコンでは int だ) で
　　　比較が行われるのです。
結果、1000msの経過がチェックできません。
今回の例では、減算値ms_0は65002と固定されています。
ms_1が0～65535の間を変化しても、1000を越える値は出てきません。
いつまでたってもこのdelayルーチンから抜け出せないのです。

このスカタンの場合、65秒ほど経てば「あれ？　なんかおかしい」
と気が付くわけですが、もっと複雑な処理で、異常の出現まで
時間がかかるような場合や、条件が重なった時だけ発生する
ものだと、むちゃ怖いバグになってしまいます。

8bitマイコンで正しく動いていたルーチンを32bitマイコンに
持ってくると、転けてしまって動かない。
よく考えておかないと、こんなことが現実に起こります。
「暗黙の型変換と符号拡張」 、昔のルーチンを借用する時は
どうぞ気をつけてください。