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vesperW · 3月14日

嵌入式开发必学 | 状态机常用的几种骚操作

嵌入式系统

状态机在嵌入式软件中随处可见，可能你会说状态机有什么难的，不就是 switch 吗？

switch 仅仅是最基础的一个点，关于状态机的更多操作，或许你都没有见过，下面分享几种实现方法。

1. 状态机基本术语

  • 现态：是指当前所处的状态。
  • 条件：又称为“事件”，当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。
  • 动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。
  • 次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。

image.png

2. 传统有限状态机 FSM

如下图所示，这是一个定时计数器，计数器存在两种状态，一种为设置状态，一种为计时状态。

设置状态：

  • “+” “-” 按键对初始倒计时进行设置
  • 当计数值设置完成，点击确认键启动计时 ，即切换到计时状态

计时状态：

  • 按下“+” “-” 会进行密码的输入“+”表示 1 ,“-”表示输入 0 ，密码共有 4 位
  • 确认键：只有输入的密码等于默认密码，按确认键才能停止计时，否则计时直接到零，并执行相关操作

图片

3. 嵌套 switch

/***************************************
1.列出所有的状态
***************************************/
typedef enum{
  SETTING,
  TIMING
}STATE_TYPE;
/***************************************
2.列出所有的事件
***************************************/
typedef enum{
    UP_EVT,
  DOWN_EVT,
  ARM_EVT,
  TICK_EVT
}EVENT_TYPE;
/***************************************
3.定义和状态机相关结构
***************************************/
struct  bomb
{
  uint8_t state;
  uint8_t timeout;
  uint8_t code;
  uint8_t defuse_code;
}bomb1;
/***************************************
4.初始化状态机
***************************************/
void bomb1_init(void)
{
  bomb1.state = SETTING;
  bomb1.defuse_code = 6;    //0110 
}
/***************************************
5. 状态机事件派发
***************************************/
void bomb1_fsm_dispatch(EVENT_TYPE evt ,void* param)
{
  switch(bomb1.state)
  {
      case SETTING:
      {
          switch(evt)
          {
              case UP_EVT:    // "+"   按键按下事件
                if(bomb1.timeout< 60)  ++bomb1.timeout;
                  bsp_display(bomb1.timeout);
              break;
              case DOWN_EVT:  // "-"   按键按下事件
                  if(bomb1.timeout > 0)  --bomb1.timeout;
                  bsp_display(bomb1.timeout);
              break;
              case ARM_EVT:   // "确认" 按键按下事件
                  bomb1.state = TIMING;
                  bomb1.code  = 0;
              break;
          }
      } break; 
      case TIMING:
      {
          switch(evt)
          {
              case UP_EVT:    // "+"   按键按下事件
                 bomb1.code = (bomb1.code <<1) |0x01;
              break;
              case DOWN_EVT:  // "-"   按键按下事件
                  bomb1.code = (bomb1.code <<1); 
              break;
              case ARM_EVT:   // "确认" 按键按下事件
                  if(bomb1.code == bomb1.defuse_code){
                      bomb1.state = SETTING;
                  }
                  else{
                    bsp_display("bomb!")
                  }
              break;
              case TICK_EVT:
                  if(bomb1.timeout)
                  {
                      --bomb1.timeout;
                      bsp_display(bomb1.timeout);
                  }
                  if(bomb1.timeout == 0)
                  {
                      bsp_display("bomb!")
                  }
              break;
          }   
      }break;
  }
}

图片

优点：简单，代码阅读连贯，容易理解

缺点：

  1. 当状态或事件增多时，代码状态函数需要经常改动，状态事件处理函数会代码量会不断增加
  2. 状态机没有进行封装，移植性差。
  3. 没有实现状态的进入和退出的操作。进入和退出在状态机中尤为重要。进入事件：只会在刚进入时触发一次，主要作用是对状态进行必要的初始化。退出事件：只会在状态切换时触发一次 ，主要的作用是清除状态产生的中间参数，为下次进入提供干净环境

4. 状态表

二维状态转换表

状态机可以分为状态和事件 ，状态的跃迁都是受事件驱动的，因此可以通过一个二维表格来表示状态的跃迁。

图片

仅当(code == defuse_code) 时才发生到 setting 的转换。

/*1.列出所有的状态*/
enum
{
  SETTING,
  TIMING,
  MAX_STATE
};
/*2.列出所有的事件*/
enum
{
  UP_EVT,
  DOWN_EVT,
  ARM_EVT,
  TICK_EVT,
  MAX_EVT
};

/*3.定义状态表*/
typedef void (*fp_state)(EVT_TYPE evt , void* param);
static  const fp_state  bomb2_table[MAX_STATE][MAX_EVENT] =
{
  {setting_UP , setting_DOWN , setting_ARM , null},
  {setting_UP , setting_DOWN , setting_ARM , timing_TICK}
};

struct bomb_t
{
  const fp_state const *state_table; /* the State-Table */
  uint8_t state; /* the current active state */
  
  uint8_t timeout;
  uint8_t code;
  uint8_t defuse_code;
};
struct bomb bomb2=
{
  .state_table = bomb2_table;
}
void bomb2_init(void)
{
  bomb2.defuse_code = 6; // 0110
  bomb2.state = SETTING;
}

void bomb2_dispatch(EVT_TYPE evt , void* param)
{
  fp_state  s = NULL;
  if(evt > MAX_EVT)
  {
      LOG("EVT type error!");
      return;
  }
  s = bomb2.state_table[bomb2.state * MAX_EVT + evt];
  if(s != NULL)
  {
      s(evt , param);
  }
}
/*列出所有的状态对应的事件处理函数*/
void setting_UP(EVT_TYPE evt, void* param)
{
  if(bomb1.timeout< 60)  ++bomb1.timeout;
  bsp_display(bomb1.timeout);
}

缺点：函数粒度太小是最明显的一个缺点，一个状态和一个事件就会产生一个函数，当状态和事件较多时，处理函数将增加很快，在阅读代码时，逻辑分散。没有实现进入退出动作。

一维状态转换表

图片

实现原理：图片

 typedef void (*fp_action)(EVT_TYPE evt,void* param);
    
    /*转换表基础结构*/
    struct tran_evt_t
    {
       EVT_TYPE evt;
        uint8_t next_state;
    };
    /*状态的描述*/
    struct  fsm_state_t
    {
        fp_action  enter_action;      //进入动作
        fp_action  exit_action;   //退出动作
        fp_action  action;           
        
        tran_evt_t* tran;    //转换表
        uint8_t     tran_nb; //转换表的大小
        const char* name;
    }
    /*状态表本体*/
    #define  ARRAY(x)   x,sizeof(x)/sizeof(x[0])
    const struct  fsm_state_t  state_table[]=
    {
        {setting_enter , setting_exit , setting_action , ARRAY(set_tran_evt),"setting" },
        {timing_enter , timing_exit , timing_action , ARRAY(time_tran_evt),"timing" }
    };
    
    /*构建一个状态机*/
    struct fsm
    {
        const struct state_t * state_table; /* the State-Table */
        uint8_t cur_state;                      /* the current active state */
        
        uint8_t timeout;
        uint8_t code;
        uint8_t defuse_code;
    }bomb3;
    
    /*初始化状态机*/
    void  bomb3_init(void)
    {
        bomb3.state_table = state_table;  //指向状态表
        bomb3.cur_state = setting;
        bomb3.defuse_code = 8; //1000
    }
    /*状态机事件派发*/
    void  fsm_dispatch(EVT_TYPE evt , void* param)
    {
        tran_evt_t* p_tran = NULL;
        
        /*获取当前状态的转换表*/
        p_tran = bomb3.state_table[bomb3.cur_state]->tran;
        
        /*判断所有可能的转换是否与当前触发的事件匹配*/
        for(uint8_t i=0;i<x;i++)
        {
            if(p_tran[i]->evt == evt)//事件会触发转换
            {
                if(NULL != bomb3.state_table[bomb3.cur_state].exit_action){
              bomb3.state_table[bomb3.cur_state].exit_action(NULL);  //执行退出动作
             }
                if(bomb3.state_table[_tran[i]->next_state].enter_action){
                   bomb3.state_table[_tran[i]->next_state].enter_action(NULL);//执行进入动作
                }
                /*更新当前状态*/
                bomb3.cur_state = p_tran[i]->next_state;
            }
            else
            {
                 bomb3.state_table[bomb3.cur_state].action(evt,param);
            }
        }
    }
    /*************************************************************************
    setting状态相关
    ************************************************************************/
    void setting_enter(EVT_TYPE evt , void* param)
    {
        
    }
    void setting_exit(EVT_TYPE evt , void* param)
    {
        
    }
    void setting_action(EVT_TYPE evt , void* param)
    {
        
    }
    tran_evt_t set_tran_evt[]=
    {
        {ARM , timing},
    }
    /*timing 状态相关*/

优点：

  • 各个状态面向用户相对独立，增加事件和状态不需要去修改先前已存在的状态事件函数。
  • 实现了状态的进入和退出
  • 容易根据状态跃迁图来设计 （状态跃迁图列出了每个状态的跃迁可能，也就是这里的转换表）
  • 实现灵活，可实现复杂逻辑，如上一次状态，增加监护条件来减少事件的数量。可实现非完全事件驱动

缺点：

  • 函数粒度较小（比二维小且增长慢），可以看到，每一个状态需要至少 3 个函数，还需要列出所有的转换关系。

END

作者：小麦大叔
来源：小麦大叔

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