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嵌入式之狀態(tài)機(jī)編程

嵌入式情報(bào)局 ? 來源:果果小師弟 ? 2023-03-30 10:11 ? 次閱讀

摘要:不知道大家有沒有這樣一種感覺,就是感覺自己玩單片機(jī)還可以,各個(gè)功能模塊也都會(huì)驅(qū)動(dòng),但是如果讓你完整的寫一套代碼,卻無邏輯與框架可言,上來就是開始寫!東抄抄寫抄抄。說明編程還處于比較低的水平,那么如何才能提高自己的編程水平呢?學(xué)會(huì)一種好的編程框架或者一種編程思想,可能會(huì)受用終生!比如模塊化編程,框架式編程,狀態(tài)機(jī)編程等等,都是一種好的框架。

今天說的就是狀態(tài)機(jī)編程,由于篇幅較長,大家慢慢欣賞。那么狀態(tài)機(jī)是一個(gè)這樣的東東?狀態(tài)機(jī)(state machine)有5個(gè)要素,分別是狀態(tài)(state)、遷移(transition)、事件(event)、動(dòng)作(action)、條件(guard)。

什么是狀態(tài)機(jī)?

狀態(tài)機(jī)是一個(gè)這樣的東東:狀態(tài)機(jī)(state machine)有 5 個(gè)要素,分別是狀態(tài)(state)、遷移(transition)、事件(event)、動(dòng)作(action)、條件(guard)。

狀態(tài):一個(gè)系統(tǒng)在某一時(shí)刻所存在的穩(wěn)定的工作情況,系統(tǒng)在整個(gè)工作周期中可能有多個(gè)狀態(tài)。例如一部電動(dòng)機(jī)共有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)這 3 種狀態(tài)。

一個(gè)狀態(tài)機(jī)需要在狀態(tài)集合中選取一個(gè)狀態(tài)作為初始狀態(tài)。

遷移:系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)的過程稱作遷移,遷移不是自動(dòng)發(fā)生的,需要外界對系統(tǒng)施加影響。停轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)自己不會(huì)轉(zhuǎn)起來,讓它轉(zhuǎn)起來必須上電。

事件:某一時(shí)刻發(fā)生的對系統(tǒng)有意義的事情,狀態(tài)機(jī)之所以發(fā)生狀態(tài)遷移,就是因?yàn)槌霈F(xiàn)了事件。對電動(dòng)機(jī)來講,加正電壓、加負(fù)電壓、斷電就是事件。

動(dòng)作:在狀態(tài)機(jī)的遷移過程中,狀態(tài)機(jī)會(huì)做出一些其它的行為,這些行為就是動(dòng)作,動(dòng)作是狀態(tài)機(jī)對事件的響應(yīng)。給停轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)加正電壓,電動(dòng)機(jī)由停轉(zhuǎn)狀態(tài)遷移到正轉(zhuǎn)狀態(tài),同時(shí)會(huì)啟動(dòng)電機(jī),這個(gè)啟動(dòng)過程可以看做是動(dòng)作,也就是對上電事件的響應(yīng)。

條件:狀態(tài)機(jī)對事件并不是有求必應(yīng)的,有了事件,狀態(tài)機(jī)還要滿足一定的條件才能發(fā)生狀態(tài)遷移。還是以停轉(zhuǎn)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)為例,雖然合閘上電了,但是如果供電線路有問題的話,電動(dòng)機(jī)還是不能轉(zhuǎn)起來。

只談概念太空洞了,上一個(gè)小例子:一單片機(jī)、一按鍵、倆 LED 燈(記為L1和L2)、一人, 足矣!

規(guī)則描述:

1、L1L2狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序OFF/OFF--->ON/OFF--->ON/ON--->OFF/ON--->OFF/OFF

2、通過按鍵控制L1L2的狀態(tài),每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換需連續(xù)按鍵5次

3、L1L2的初始狀態(tài)OFF/OFF

29b276fa-ce59-11ed-bfe3-dac502259ad0.png圖1

下面這段程序是根據(jù)功能要求寫成的代碼。

程序清單List1:

voidmain(void)
{
sys_init();
led_off(LED1);
led_off(LED2);
g_stFSM.u8LedStat=LS_OFFOFF;
g_stFSM.u8KeyCnt=0;
while(1)
{
if(test_key()==TRUE)
{
fsm_active();
}
else
{
;/*idlecode*/
}
}
}
voidfsm_active(void)
{
if(g_stFSM.u8KeyCnt>3)/*擊鍵是否滿5次*/
{
switch(g_stFSM.u8LedStat)
{
caseLS_OFFOFF:
led_on(LED1);/*輸出動(dòng)作*/
g_stFSM.u8KeyCnt=0;
g_stFSM.u8LedStat=LS_ONOFF;/*狀態(tài)遷移*/
break;
caseLS_ONOFF:
led_on(LED2);/*輸出動(dòng)作*/
g_stFSM.u8KeyCnt=0;
g_stFSM.u8LedStat=LS_ONON;/*狀態(tài)遷移*/
break;
caseLS_ONON:
led_off(LED1);/*輸出動(dòng)作*/
g_stFSM.u8KeyCnt=0;
g_stFSM.u8LedStat=LS_OFFON;/*狀態(tài)遷移*/
break;
caseLS_OFFON:
led_off(LED2);/*輸出動(dòng)作*/
g_stFSM.u8KeyCnt=0;
g_stFSM.u8LedStat=LS_OFFOFF;/*狀態(tài)遷移*/
break;
default:/*非法狀態(tài)*/
led_off(LED1);
led_off(LED2);
g_stFSM.u8KeyCnt=0;
g_stFSM.u8LedStat=LS_OFFOFF;/*恢復(fù)初始狀態(tài)*/
break;
}
}
else
{
g_stFSM.u8KeyCnt++;/*狀態(tài)不遷移,僅記錄擊鍵次數(shù)*/
}
}

實(shí)際上在狀態(tài)機(jī)編程中,正確的順序應(yīng)該是先有狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,后有程序,程序應(yīng)該是根據(jù)設(shè)計(jì)好的狀態(tài)圖寫出來的。不過考慮到有些童鞋會(huì)覺得代碼要比轉(zhuǎn)換圖來得親切,我就先把程序放在前頭了。

這張狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖是用UML(統(tǒng)一建模語言)的語法元素畫出來的,語法不是很標(biāo)準(zhǔn),但拿來解釋問題足夠了。

29c81eb0-ce59-11ed-bfe3-dac502259ad0.png
圖2按鍵控制流水燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

圓角矩形代表狀態(tài)機(jī)的各個(gè)狀態(tài),里面標(biāo)注著狀態(tài)的名稱。

帶箭頭的直線或弧線代表狀態(tài)遷移,起于初態(tài),止于次態(tài)。

圖中的文字內(nèi)容是對遷移的說明,格式是:事件[條件]/動(dòng)作列表(后兩項(xiàng)可選)。

“事件[條件]/動(dòng)作列表”要說明的意思是:如果在某個(gè)狀態(tài)下發(fā)生了“事件”,并且狀態(tài)機(jī)

滿足“[條件]”,那么就要執(zhí)行此次狀態(tài)轉(zhuǎn)移,同時(shí)要產(chǎn)生一系列“動(dòng)作”,以響應(yīng)事件。在這個(gè)例子里,我用“KEY”表示擊鍵事件。

圖中有一個(gè)黑色實(shí)心圓點(diǎn),表示狀態(tài)機(jī)在工作之前所處的一種不可知的狀態(tài),在運(yùn)行之前狀態(tài)機(jī)必須強(qiáng)制地由這個(gè)狀態(tài)遷移到初始狀態(tài),這個(gè)遷移可以有動(dòng)作列表(如圖1所示),但不需要事件觸發(fā)。

圖中還有一個(gè)包含黑色實(shí)心圓點(diǎn)的圓圈,表示狀態(tài)機(jī)生命周期的結(jié)束,這個(gè)例子中的狀態(tài)機(jī)生生不息,所以沒有狀態(tài)指向該圓圈。

關(guān)于這個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖就不多說了,相信大家結(jié)合著上面的代碼能很容易看明白?,F(xiàn)在我們再聊一聊程序清單List1。

先看一下fsm_active()這個(gè)函數(shù),g_stFSM.u8KeyCnt = 0;這個(gè)語句在switch—case里共出現(xiàn)了 5 次,前 4 次是作為各個(gè)狀態(tài)遷移的動(dòng)作出現(xiàn)的。從代碼簡化提高效率的角度來看,我們完全可以把這 5 次合并為 1 次放在 switch—case 語句之前,兩者的效果是完全一樣的,代碼里之所以這樣啰嗦,是為了清晰地表明每次狀態(tài)遷移中所有的動(dòng)作細(xì)節(jié),這種方式和圖2的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖所要表達(dá)的意圖是完全一致的。

再看一下g_stFSM這個(gè)狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)體變量,它有兩個(gè)成員:u8LedStat和 u8KeyCnt。用這個(gè)結(jié)構(gòu)體來做狀態(tài)機(jī)好像有點(diǎn)兒啰嗦,我們能不能只用一個(gè)像 u8LedStat 這樣的整型變量來做狀態(tài)機(jī)呢?

當(dāng)然可以!我們把圖 2中的這 4 個(gè)狀態(tài)各自拆分成 5 個(gè)小狀態(tài),這樣用 20 個(gè)狀態(tài)同樣能實(shí)現(xiàn)這個(gè)狀態(tài)機(jī),而且只需要一個(gè) unsigned char 型的變量就足夠了,每次擊鍵都會(huì)引發(fā)狀態(tài)遷移, 每遷移 5 次就能改變一次 LED 燈的狀態(tài),從外面看兩種方法的效果完全一樣。

假設(shè)我把功能要求改一下,把連續(xù)擊鍵5次改變L1L2的狀態(tài)改為連續(xù)擊鍵100次才能改變L1L2的狀態(tài)。這樣的話第二種方法需要4X100=400個(gè)狀態(tài)!而且函數(shù)fsm_active()中的switch—case語句里要有400個(gè)case,這樣的程序還有法兒寫么?!

同樣的功能改動(dòng),如果用g_stFSM這個(gè)結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的話,函數(shù)fsm_active()只需要將if(g_stFSM.u8KeyCnt>3)改為if(g_stFSM.u8KeyCnt > 98)就可以了!

g_stFSM結(jié)構(gòu)體的兩個(gè)成員中,u8LedStat可以看作是質(zhì)變因子,相當(dāng)于主變量;u8KeyCnt可以看作是量變因子,相當(dāng)于輔助變量。量變因子的逐步積累會(huì)引發(fā)質(zhì)變因子的變化。

像g_stFSM這樣的狀態(tài)機(jī)被稱作Extended State Machine,我不知道業(yè)內(nèi)正規(guī)的中文術(shù)語怎么講,只好把英文詞組搬過來了。

2、狀態(tài)機(jī)編程的優(yōu)點(diǎn)

說了這么多,大家大概明白狀態(tài)機(jī)到底是個(gè)什么東西了,也知道狀態(tài)機(jī)化的程序大體怎么寫了,那么單片機(jī)的程序用狀態(tài)機(jī)的方法來寫有什么好處呢?

(1)提高CPU使用效率

話說我只要見到滿篇都是delay_ms()的程序就會(huì)蛋疼,動(dòng)輒十幾個(gè)ms幾十個(gè)ms的軟件延時(shí)是對CPU資源的巨大浪費(fèi),寶貴的CPU機(jī)時(shí)都浪費(fèi)在了NOP指令上。那種為了等待一個(gè)管腳電平跳變或者一個(gè)串口數(shù)據(jù)而巋然不動(dòng)的程序也讓我非常糾結(jié),如果事件一直不發(fā)生,你要等到世界末日么?

把程序狀態(tài)機(jī)化,這種情況就會(huì)明顯改觀,程序只需要用全局變量記錄下工作狀態(tài),就可以轉(zhuǎn)頭去干別的工作了,當(dāng)然忙完那些活兒之后要再看看工作狀態(tài)有沒有變化。只要目標(biāo)事件(定時(shí)未到、電平?jīng)]跳變、串口數(shù)據(jù)沒收完)還沒發(fā)生,工作狀態(tài)就不會(huì)改變,程序就一直重復(fù)著“查詢—干別的—查詢—干別的”這樣的循環(huán),這樣CPU就閑不下來了。在程序清單 List3 中,if{}else{}語句里else下的內(nèi)容(代碼中沒有添加,只是加了一條/*idle code*/的注釋示意)就是上文所說的“別的工作” 。

這種處理方法的實(shí)質(zhì)就是在程序等待事件的過程中間隔性地插入一些有意義的工作,好讓CPU不是一直無謂地等待。

(2) 邏輯完備性

我覺得邏輯完備性是狀態(tài)機(jī)編程最大的優(yōu)點(diǎn)。

不知道大家有沒有用C語言寫過計(jì)算器的小程序,我很早以前寫過,寫出來一測試,那個(gè)慘不忍睹??!當(dāng)我規(guī)規(guī)矩矩的輸入算式的時(shí)候,程序可以得到正確的計(jì)算結(jié)果,但要是故意輸入數(shù)字和運(yùn)算符號(hào)的隨意組合,程序總是得出莫名其妙的結(jié)果。

后來我試著思維模擬一下程序的工作過程,正確的算式思路清晰,流程順暢,可要碰上了不規(guī)矩的式子,走著走著我就暈菜了,那么多的標(biāo)志位,那么多的變量,變來變?nèi)?,最后直接分析不下去了?/p>

很久之后我認(rèn)識(shí)了狀態(tài)機(jī),才恍然明白,當(dāng)時(shí)的程序是有邏輯漏洞的。如果把這個(gè)計(jì)算器程序當(dāng)做是一個(gè)反應(yīng)式系統(tǒng),那么一個(gè)數(shù)字或者運(yùn)算符就可以看做一個(gè)事件,一個(gè)算式就是一組事件組合。對于一個(gè)邏輯完備的反應(yīng)式系統(tǒng),不管什么樣的事件組合,系統(tǒng)都能正確處理事件,而且系統(tǒng)自身的工作狀態(tài)也一直處在可知可控的狀態(tài)中。反過來,如果一個(gè)系統(tǒng)的邏輯功能不完備,在某些特定事件組合的驅(qū)動(dòng)下,系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)入一個(gè)不可知不可控的狀態(tài),與設(shè)計(jì)者的意圖相悖。

狀態(tài)機(jī)就能解決邏輯完備性的問題。

狀態(tài)機(jī)是一種以系統(tǒng)狀態(tài)為中心,以事件為變量的設(shè)計(jì)方法,它專注于各個(gè)狀態(tài)的特點(diǎn)以及狀態(tài)之間相互轉(zhuǎn)換的關(guān)系。狀態(tài)的轉(zhuǎn)換恰恰是事件引起的,那么在研究某個(gè)具體狀態(tài)的時(shí)候,我們自然而然地會(huì)考慮任何一個(gè)事件對這個(gè)狀態(tài)有什么樣的影響。這樣,每一個(gè)狀態(tài)中發(fā)生的每一個(gè)事件都會(huì)在我們的考慮之中,也就不會(huì)留下邏輯漏洞。

這樣說也許大家會(huì)覺得太空洞,實(shí)踐出真知,某天如果你真的要設(shè)計(jì)一個(gè)邏輯復(fù)雜的程序,

我保證你會(huì)說:哇!狀態(tài)機(jī)真的很好用哎!

(3)程序結(jié)構(gòu)清晰

用狀態(tài)機(jī)寫出來的程序的結(jié)構(gòu)是非常清晰的。

程序員最痛苦的事兒莫過于讀別人寫的代碼。如果代碼不是很規(guī)范,而且手里還沒有流程圖,讀代碼會(huì)讓人暈了又暈,只有順著程序一遍又一遍的看,很多遍之后才能隱約地明白程序大體的工作過程。有流程圖會(huì)好一點(diǎn),但是如果程序比較大,流程圖也不會(huì)畫得多詳細(xì),很多細(xì)節(jié)上的過程還是要從代碼中理解。

相比之下,用狀態(tài)機(jī)寫的程序要好很多,拿一張標(biāo)準(zhǔn)的UML狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,再配上一些簡明的文字說明,程序中的各個(gè)要素一覽無余。程序中有哪些狀態(tài),會(huì)發(fā)生哪些事件,狀態(tài)機(jī)如何響應(yīng),響應(yīng)之后跳轉(zhuǎn)到哪個(gè)狀態(tài),這些都十分明朗,甚至許多動(dòng)作細(xì)節(jié)都能從狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中找到??梢院敛豢鋸埖恼f,有了UML狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,程序流程圖寫都不用寫。

審核編輯:湯梓紅

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原文標(biāo)題:嵌入式之狀態(tài)機(jī)編程,講得挺透的~

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    嵌入式狀態(tài)機(jī)的設(shè)置

    狀態(tài)機(jī)嵌入式軟件中隨處可見,可能你會(huì)說狀態(tài)機(jī)有什么難的,不就是 switch 嗎?
    的頭像 發(fā)表于 11-02 09:04 ?1176次閱讀

    嵌入式狀態(tài)機(jī)編程優(yōu)點(diǎn)分析

    嵌入式狀態(tài)機(jī)編程是真的好用,寫出來的程序結(jié)構(gòu)非常清晰!所以平時(shí)用的也比較多。
    的頭像 發(fā)表于 02-25 16:21 ?916次閱讀

    嵌入式狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    嵌入式狀態(tài)機(jī)是一種常用的軟件設(shè)計(jì)模式,它能夠提高代碼的可讀性和可維護(hù)性。狀態(tài)機(jī)是一個(gè)抽象的概念,它描述了一個(gè)系統(tǒng)或者組件的不同狀態(tài)以及在不同狀態(tài)
    的頭像 發(fā)表于 04-14 11:55 ?1902次閱讀
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