嵌入式中状态机的几种骚操作

来源:strongerHuang发布时间:2022-11-021123浏览

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来源 | 嵌入式大杂烩

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。

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。

传统有限状态机FSM

如图，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

嵌套switch

/***************************************
1.列出所有的状态
***************************************/
typedefenum{
SETTING,
TIMING
}STATE_TYPE;
/***************************************
2.列出所有的事件
***************************************/
typedefenum{
UP_EVT,
DOWN_EVT,
ARM_EVT,
TICK_EVT
}EVENT_TYPE;
/***************************************
3.定义和状态机相关结构
***************************************/
structbomb
{
uint8_tstate;
uint8_ttimeout;
uint8_tcode;
uint8_tdefuse_code;
}bomb1;
/***************************************
4.初始化状态机
***************************************/
voidbomb1_init(void)
{
bomb1.state=SETTING;
bomb1.defuse_code=6;//0110
}
/***************************************
5.状态机事件派发
***************************************/
voidbomb1_fsm_dispatch(EVENT_TYPEevt,void*param)
{
switch(bomb1.state)
{
caseSETTING:
{
switch(evt)
{
caseUP_EVT://"+"按键按下事件
if(bomb1.timeout<60)++bomb1.timeout;
bsp_display(bomb1.timeout);
break;
caseDOWN_EVT://"-"按键按下事件
if(bomb1.timeout>0)--bomb1.timeout;
bsp_display(bomb1.timeout);
break;
caseARM_EVT://"确认"按键按下事件
bomb1.state=TIMING;
bomb1.code=0;
break;
}
}break;
caseTIMING:
{
switch(evt)
{
caseUP_EVT://"+"按键按下事件
bomb1.code=(bomb1.code<<1)|0x01;
break;
caseDOWN_EVT://"-"按键按下事件
bomb1.code=(bomb1.code<<1);
break;
caseARM_EVT://"确认"按键按下事件
if(bomb1.code==bomb1.defuse_code){
bomb1.state=SETTING;
}
else{
bsp_display("bomb!")
}
break;
caseTICK_EVT:
if(bomb1.timeout)
{
--bomb1.timeout;
bsp_display(bomb1.timeout);
}
if(bomb1.timeout==0)
{
bsp_display("bomb!")
}
break;
}
}break;
}
}

优点:简单，代码阅读连贯，容易理解

缺点

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
状态机没有进行封装，移植性差。
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

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。

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*/
typedefvoid(*fp_state)(EVT_TYPEevt,void*param);
staticconstfp_statebomb2_table[MAX_STATE][MAX_EVENT]=
{
{setting_UP,setting_DOWN,setting_ARM,null},
{setting_UP,setting_DOWN,setting_ARM,timing_TICK}
};

structbomb_t
{
constfp_stateconst*state_table;/*theState-Table*/
uint8_tstate;/*thecurrentactivestate*/

uint8_ttimeout;
uint8_tcode;
uint8_tdefuse_code;
};
structbombbomb2=
{
.state_table=bomb2_table;
}
voidbomb2_init(void)
{
bomb2.defuse_code=6;//0110
bomb2.state=SETTING;
}

voidbomb2_dispatch(EVT_TYPEevt,void*param)
{
fp_states=NULL;
if(evt>MAX_EVT)
{
LOG("EVTtypeerror!");
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*/
voidsetting_UP(EVT_TYPEevt,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

实现原理：

typedefvoid(*fp_action)(EVT_TYPEevt,void*param);

/*转换表基础结构*/
structtran_evt_t
{
EVT_TYPEevt;
uint8_tnext_state;
};
/*状态的描述*/
structfsm_state_t
{
fp_actionenter_action;//进入动作
fp_actionexit_action;//退出动作
fp_actionaction;

tran_evt_t*tran;//转换表
uint8_ttran_nb;//转换表的大小
constchar*name;
}
/*状态表本体*/
#defineARRAY(x)x,sizeof(x)/sizeof(x[0])
conststructfsm_state_tstate_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*/
structfsm
{
conststructstate_t*state_table;/*theState-Table*/
uint8_tcur_state;/*thecurrentactivestate*/

uint8_ttimeout;
uint8_tcode;
uint8_tdefuse_code;
}bomb3;

/*初始化状态机*/
voidbomb3_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*/
voidfsm_dispatch(EVT_TYPEevt,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_ti=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
************************************************************************/
voidsetting_enter(EVT_TYPEevt,void*param)
{

}
voidsetting_exit(EVT_TYPEevt,void*param)
{

}
voidsetting_action(EVT_TYPEevt,void*param)
{

}
tran_evt_tset_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。

QP嵌入式实时框架

事件驱动型编程

好莱坞原则：和传统的顺序式编程方法例如“超级循环”，或传统的RTOS 的任务不同。绝大多数的现代事件驱动型系统根据好莱坞原则被构造（Don’t call me; I’ll call you.）

面向对象

类和单一继承

工具

QM ：一个通过UML类图来描述状态机的软件，并且可以自动生成C代码

QS软件追踪工具

QEP实现有限状态机Fsm

/*qevent.h----------------------------------------------------------------*/
typedefstructQEventTag
{
QSignalsig;
uint8_tdynamic_;
}QEvent;
/*qep.h-------------------------------------------------------------------*/
typedefuint8_tQState;/*statusreturnedfromastate-handlerfunction*/
typedefQState(*QStateHandler)(void*me,QEventconst*e);/*argumentlist*/
typedefstructQFsmTag/*FiniteStateMachine*/
{
QStateHandlerstate;/*currentactivestate*/
}QFsm;

#defineQFsm_ctor(me_,initial_)((me_)->state=(initial_))
voidQFsm_init(QFsm*me,QEventconst*e);
voidQFsm_dispatch(QFsm*me,QEventconst*e);

#defineQ_RET_HANDLED((QState)0)
#defineQ_RET_IGNORED((QState)1)
#defineQ_RET_TRAN((QState)2)
#defineQ_HANDLED()(Q_RET_HANDLED)
#defineQ_IGNORED()(Q_RET_IGNORED)

#defineQ_TRAN(target_)(((QFsm*)me)->state=(QStateHandler)(target_),Q_RET_TRAN)

enumQReservedSignals
{
Q_ENTRY_SIG=1,
Q_EXIT_SIG,
Q_INIT_SIG,
Q_USER_SIG
};

/*fileqfsm_ini.c---------------------------------------------------------*/
#include"qep_port.h"/*theportoftheQEPeventprocessor*/
#include"qassert.h"/*embeddedsystems-friendlyassertions*/
voidQFsm_init(QFsm*me,QEventconst*e)
{
(*me->state)(me,e);/*executethetop-mostinitialtransition*/
/*enterthetarget*/
(void)(*me->state)(me,QEP_reservedEvt_[Q_ENTRY_SIG]);
}
/*fileqfsm_dis.c---------------------------------------------------------*/
voidQFsm_dispatch(QFsm*me,QEventconst*e)
{
QStateHandlers=me->state;/*savethecurrentstate*/
QStater=(*s)(me,e);/*calltheeventhandler*/
if(r==Q_RET_TRAN)/*transitiontaken?*/
{
(void)(*s)(me,QEP_reservedEvt_[Q_EXIT_SIG]);/*exitthesource*/
(void)(*me->state)(me,QEP_reservedEvt_[Q_ENTRY_SIG]);/*entertarget*/
}
}
实现上面定时器例子
#include"qep_port.h"/*theportoftheQEPeventprocessor*/
#include"bsp.h"/*boardsupportpackage*/

enumBombSignals/*allsignalsfortheBombFSM*/
{
UP_SIG=Q_USER_SIG,
DOWN_SIG,
ARM_SIG,
TICK_SIG
};
typedefstructTickEvtTag
{
QEventsuper;/*derivefromtheQEventstructure*/
uint8_tfine_time;/*thefine1/10scounter*/
}TickEvt;

typedefstructBomb4Tag
{
QFsmsuper;/*derivefromQFsm*/
uint8_ttimeout;/*numberofsecondstillexplosion*/
uint8_tcode;/*currentlyenteredcodetodisarmthebomb*/
uint8_tdefuse;/*secretdefusecodetodisarmthebomb*/
}Bomb4;

voidBomb4_ctor(Bomb4*me,uint8_tdefuse);
QStateBomb4_initial(Bomb4*me,QEventconst*e);
QStateBomb4_setting(Bomb4*me,QEventconst*e);
QStateBomb4_timing(Bomb4*me,QEventconst*e);
/*--------------------------------------------------------------------------*/
/*theinitialvalueofthetimeout*/
#defineINIT_TIMEOUT10
/*..........................................................................*/
voidBomb4_ctor(Bomb4*me,uint8_tdefuse){
QFsm_ctor_(me->super,(QStateHandler)Bomb4_initial);
me->defuse=defuse;/*thedefusecodeisassignedatinstantiation*/
}
/*..........................................................................*/
QStateBomb4_initial(Bomb4*me,QEventconst*e){
(void)e;
me->timeout=INIT_TIMEOUT;
returnQ_TRAN(Bomb4_setting);
}
/*..........................................................................*/
QStateBomb4_setting(Bomb4*me,QEventconst*e){
switch(e->sig){
caseUP_SIG:{
if(me->timeout<60){
++me->timeout;
BSP_display(me->timeout);
}
returnQ_HANDLED();
}
caseDOWN_SIG:{
if(me->timeout>1){
--me->timeout;
BSP_display(me->timeout);
}
returnQ_HANDLED();
}
caseARM_SIG:{
returnQ_TRAN(Bomb4_timing);/*transitionto"timing"*/
}
}
returnQ_IGNORED();
}
/*..........................................................................*/
voidBomb4_timing(Bomb4*me,QEventconst*e){
switch(e->sig){
caseQ_ENTRY_SIG:{
me->code=0;/*clearthedefusecode*/
returnQ_HANDLED();
}
caseUP_SIG:{
me->code<<=1;
me->code|=1;
returnQ_HANDLED();
}
caseDOWN_SIG:{
me->code<<=1;
returnQ_HANDLED();
}
caseARM_SIG:{
if(me->code==me->defuse){
returnQ_TRAN(Bomb4_setting);
}
returnQ_HANDLED();
}
caseTICK_SIG:{
if(((TickEvtconst*)e)->fine_time==0){
--me->timeout;
BSP_display(me->timeout);
if(me->timeout==0){
BSP_boom();/*destroythebomb*/
}
}
returnQ_HANDLED();
}
}
returnQ_IGNORED();
}

优点

采用面向对象的设计方法，很好的移植性
实现了进入退出动作
合适的粒度，且事件的粒度可控
状态切换时通过改变指针，效率高
可扩展成为层次状态机

缺点

对事件的定义以及事件粒度的控制是设计的最大难点，如串口接收到一帧数据，这些变量的更新单独作为某个事件，还是串口收到数据作为一个事件。再或者显示屏，如果使用此种编程方式，如何设计事件。

QP 实现层次状态机

初始化层次状态机的实现：在初始化时，用户所选取的状态永远是最底层的状态，如上图，我们在计算器开机后，应该进入的是开始状态，这就涉及到一个问题，由最初top（顶状态）到begin 是有一条状态切换路径的，当我们设置状态为begin如何搜索这条路径成为关键（知道了路径才能正确的进入begin,要执行路径中过渡状态的进入和退出事件）

voidQHsm_init(QHsm*me,QEventconst*e)
{
Q_ALLEGE((*me->state)(me,e)==Q_RET_TRAN);
t=(QStateHandler)QHsm_top;/*HSMstartsinthetopstate*/
do{/*drillintothetarget...*/
QStateHandlerpath[QEP_MAX_NEST_DEPTH_];
int8_tip=(int8_t)0;/*transitionentrypathindex*/
path[0]=me->state;/*这里的状态为begin*/

/*通过执行空信号，从底层状态找到顶状态的路径*/
(void)QEP_TRIG_(me->state,QEP_EMPTY_SIG_);
while(me->state!=t){
path[++ip]=me->state;
(void)QEP_TRIG_(me->state,QEP_EMPTY_SIG_);
}
/*切换为begin*/
me->state=path[0];/*restorethetargetoftheinitialtran.*/
/*钻到最底层的状态，执行路径中的所有进入事件*/
Q_ASSERT(ip<(int8_t)QEP_MAX_NEST_DEPTH_);
do{/*retracetheentrypathinreverse(desired)order...*/
QEP_ENTER_(path[ip]);/*enterpath[ip]*/
}while((--ip)>=(int8_t)0);

t=path[0];/*currentstatebecomesthenewsource*/
}while(QEP_TRIG_(t,Q_INIT_SIG)==Q_RET_TRAN);
me->state=t;
}

状态切换

/*.................................................................*/
QStateresult(Calc*me,QEventconst*e)
{
switch(e->sig)
{you
caseENTER_SIG:{
break;
}
caseEXIT_SIG:{
break;
}
caseC_SIG:
{
printf("clear");
returnQ_HANDLED();
}
caseB_SIG:
{
returnQ_TRAN(begin);
}
}
returnQ_SUPER(reday);
}
/*.ready为result和begin的超状态................................................*/
QStateready(Calc*me,QEventconst*e)
{
switch(e->sig)
{
caseENTER_SIG:{
break;
}
caseEXIT_SIG:{
break;
}
caseOPER_SIG:
{
returnQ_TRAN(opEntered);
}
}
returnQ_SUPER(on);
}



voidQHsm_dispatch(QHsm*me,QEventconst*e)
{
QStateHandlerpath[QEP_MAX_NEST_DEPTH_];
QStateHandlers;
QStateHandlert;
QStater;
t=me->state;/*savethecurrentstate*/
do{/*processtheeventhierarchically...*/
s=me->state;
r=(*s)(me,e);/*invokestatehandlers*/
}while(r==Q_RET_SUPER);//当前状态不能处理事件，直到找到能处理事件的状态

if(r==Q_RET_TRAN){/*transitiontaken?*/
int8_tip=(int8_t)(-1);/*transitionentrypathindex*/
int8_tiq;/*helpertransitionentrypathindex*/
path[0]=me->state;/*savethetargetofthetransition*/
path[1]=t;
while(t!=s){/*exitcurrentstatetotransitionsources...*/
if(QEP_TRIG_(t,Q_EXIT_SIG)==Q_RET_HANDLED){/*exithandled?*/
(void)QEP_TRIG_(t,QEP_EMPTY_SIG_);/*findsuperstateoft*/
}
t=me->state;/*me->stateholdsthesuperstate*/
}
...
}
me->state=t;/*setnewstateorrestorethecurrentstate*/
}

t=path[0];/*targetofthetransition*/
if(s==t){/*(a)checksource==target(transitiontoself)*/
QEP_EXIT_(s)/*exitthesource*/
ip=(int8_t)0;/*enterthetarget*/
}
else{
(void)QEP_TRIG_(t,QEP_EMPTY_SIG_);/*superstateoftarget*/
t=me->state;
if(s==t){/*(b)checksource==target->super*/
ip=(int8_t)0;/*enterthetarget*/
}
else{
(void)QEP_TRIG_(s,QEP_EMPTY_SIG_);/*superstateofsrc*/
/*(c)checksource->super==target->super*/
if(me->state==t){
QEP_EXIT_(s)/*exitthesource*/
ip=(int8_t)0;/*enterthetarget*/
}
else{
/*(d)checksource->super==target*/
if(me->state==path[0]){
QEP_EXIT_(s)/*exitthesource*/
}
else{/*(e)checkrestofsource==target->super->super..
*andstoretheentrypathalongtheway*/
....

QP实时框架的组成

内存管理

使用内存池，对于低性能mcu，内存极为有限，引入内存管理主要是整个架构中，是以事件作为主要的任务通信手段，且事件是带参数的，可能相同类型的事件会多次触发，而事件处理完成后，需要清除事件，无法使用静态的事件，因此是有必要为不同事件创建内存池的。对于不同块大小的内存池，需要考虑的是每个块的起始地址对齐问题。在进行内存池初始化时，我们是根据blocksize+header大小来进行划分内存池的。假设一个2字节的结构，如果以2来进行划分，假设mcu 4字节对齐，那么将有一半的结构起始地址无法对齐，这时需要为每个块预留空间，保证每个块的对齐。