狀態(tài)機在嵌入式軟件中隨處可見，可能你會說狀態(tài)機有什么難的，不就是switch 嗎？

switch僅僅是最基礎(chǔ)的一個點，關(guān)于狀態(tài)機的更多操作，或許你都沒有見過，下面分享幾種實現(xiàn)方法。

狀態(tài)機基本術(shù)語

現(xiàn)態(tài)：是指當(dāng)前所處的狀態(tài)。

條件：又稱為“事件”，當(dāng)一個條件被滿足，將會觸發(fā)一個動作，或者執(zhí)行一次狀態(tài)的遷移。

動作：條件滿足后執(zhí)行的動作。動作執(zhí)行完畢后，可以遷移到新的狀態(tài)，也可以仍舊保持原狀態(tài)。動作不是必需的，當(dāng)條件滿足后，也可以不執(zhí)行任何動作，直接遷移到新狀態(tài)。

次態(tài)：條件滿足后要遷往的新狀態(tài)。“次態(tài)”是相對于“現(xiàn)態(tài)”而言的，“次態(tài)”一旦被激活，就轉(zhuǎn)變成新的“現(xiàn)態(tài)”了。

傳統(tǒng)有限狀態(tài)機FSM

如圖，是一個定時計數(shù)器，計數(shù)器存在兩種狀態(tài)，一種為設(shè)置狀態(tài)，一種為計時狀態(tài)

設(shè)置狀態(tài)

“+” “-” 按鍵對初始倒計時進行設(shè)置

當(dāng)計數(shù)值設(shè)置完成，點擊確認鍵啟動計時 ，即切換到計時狀態(tài)

計時狀態(tài)

按下“+” “-” 會進行密碼的輸入“+”表示1 ,“-”表示輸入0 ，密碼共有4位

確認鍵：只有輸入的密碼等于默認密碼，按確認鍵才能停止計時，否則計時直接到零，并執(zhí)行相關(guān)操作

嵌套switch

/***************************************
1.列出所有的狀態(tài)
***************************************/
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.定義和狀態(tài)機相關(guān)結(jié)構(gòu)
***************************************/
structbomb
{
uint8_tstate;
uint8_ttimeout;
uint8_tcode;
uint8_tdefuse_code;
}bomb1;
/***************************************
4.初始化狀態(tài)機
***************************************/
voidbomb1_init(void)
{
bomb1.state=SETTING;
bomb1.defuse_code=6;//0110
}
/***************************************
5.狀態(tài)機事件派發(fā)
***************************************/
voidbomb1_fsm_dispatch(EVENT_TYPEevt,void*param)
{
switch(bomb1.state)
{
caseSETTING:
{
switch(evt)
{
caseUP_EVT://"+"按鍵按下事件
if(bomb1.timeout0)--bomb1.timeout;
bsp_display(bomb1.timeout);
break;
caseARM_EVT://"確認"按鍵按下事件
bomb1.state=TIMING;
bomb1.code=0;
break;
}
}break;
caseTIMING:
{
switch(evt)
{
caseUP_EVT://"+"按鍵按下事件
bomb1.code=(bomb1.code<<1)?|0x01;
??????????????break;
??????????????case?DOWN_EVT:??//?"-"???按鍵按下事件
??????????????????bomb1.code?=?(bomb1.code?<<1);?
??????????????break;
??????????????case?ARM_EVT:???//?"確認"?按鍵按下事件
??????????????????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;
??}
}

優(yōu)點:簡單，代碼閱讀連貫，容易理解

缺點

當(dāng)狀態(tài)或事件增多時，代碼狀態(tài)函數(shù)需要經(jīng)常改動，狀態(tài)事件處理函數(shù)會代碼量會不斷增加

狀態(tài)機沒有進行封裝，移植性差。

沒有實現(xiàn)狀態(tài)的進入和退出的操作。進入和退出在狀態(tài)機中尤為重要。進入事件：只會在剛進入時觸發(fā)一次，主要作用是對狀態(tài)進行必要的初始化。退出事件：只會在狀態(tài)切換時觸發(fā)一次 ，主要的作用是清除狀態(tài)產(chǎn)生的中間參數(shù)，為下次進入提供干凈環(huán)境

狀態(tài)表

二維狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

狀態(tài)機可以分為狀態(tài)和事件 ，狀態(tài)的躍遷都是受事件驅(qū)動的，因此可以通過一個二維表格來表示狀態(tài)的躍遷。

僅當(dāng)(code == defuse_code) 時才發(fā)生到setting 的轉(zhuǎn)換。

/*1.列出所有的狀態(tài)*/
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.定義狀態(tài)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);
}
}
/*列出所有的狀態(tài)對應(yīng)的事件處理函數(shù)*/
voidsetting_UP(EVT_TYPEevt,void*param)
{
if(bomb1.timeout

	

	缺點：函數(shù)粒度太小是最明顯的一個缺點，一個狀態(tài)和一個事件就會產(chǎn)生一個函數(shù)，當(dāng)狀態(tài)和事件較多時，處理函數(shù)將增加很快，在閱讀代碼時，邏輯分散。沒有實現(xiàn)進入退出動作。

	一維狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

	

	實現(xiàn)原理：

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

/*轉(zhuǎn)換表基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)*/
structtran_evt_t
{
EVT_TYPEevt;
uint8_tnext_state;
};
/*狀態(tài)的描述*/
structfsm_state_t
{
fp_actionenter_action;//進入動作
fp_actionexit_action;//退出動作
fp_actionaction;

tran_evt_t*tran;//轉(zhuǎn)換表
uint8_ttran_nb;//轉(zhuǎn)換表的大小
constchar*name;
}
/*狀態(tài)表本體*/
#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"}
};

/*構(gòu)建一個狀態(tài)機*/
structfsm
{
conststructstate_t*state_table;/*theState-Table*/
uint8_tcur_state;/*thecurrentactivestate*/

uint8_ttimeout;
uint8_tcode;
uint8_tdefuse_code;
}bomb3;

/*初始化狀態(tài)機*/
voidbomb3_init(void)
{
bomb3.state_table=state_table;//指向狀態(tài)表
bomb3.cur_state=setting;
bomb3.defuse_code=8;//1000
}
/*狀態(tài)機事件派發(fā)*/
voidfsm_dispatch(EVT_TYPEevt,void*param)
{
tran_evt_t*p_tran=NULL;

/*獲取當(dāng)前狀態(tài)的轉(zhuǎn)換表*/
p_tran=bomb3.state_table[bomb3.cur_state]->tran;

/*判斷所有可能的轉(zhuǎn)換是否與當(dāng)前觸發(fā)的事件匹配*/
for(uint8_ti=0;ievt==evt)//事件會觸發(fā)轉(zhuǎn)換
{
if(NULL!=bomb3.state_table[bomb3.cur_state].exit_action){
bomb3.state_table[bomb3.cur_state].exit_action(NULL);//執(zhí)行退出動作
}
if(bomb3.state_table[_tran[i]->next_state].enter_action){
bomb3.state_table[_tran[i]->next_state].enter_action(NULL);//執(zhí)行進入動作
}
/*更新當(dāng)前狀態(tài)*/
bomb3.cur_state=p_tran[i]->next_state;
}
else
{
bomb3.state_table[bomb3.cur_state].action(evt,param);
}
}
}
/*************************************************************************
setting狀態(tài)相關(guān)
************************************************************************/
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狀態(tài)相關(guān)*/



	

	優(yōu)點

	各個狀態(tài)面向用戶相對獨立，增加事件和狀態(tài)不需要去修改先前已存在的狀態(tài)事件函數(shù)。

	實現(xiàn)了狀態(tài)的進入和退出

	容易根據(jù)狀態(tài)躍遷圖來設(shè)計 （狀態(tài)躍遷圖列出了每個狀態(tài)的躍遷可能，也就是這里的轉(zhuǎn)換表）

	實現(xiàn)靈活，可實現(xiàn)復(fù)雜邏輯，如上一次狀態(tài)，增加監(jiān)護條件來減少事件的數(shù)量。可實現(xiàn)非完全事件驅(qū)動

	缺點

	函數(shù)粒度較小（比二維小且增長慢），可以看到，每一個狀態(tài)需要至少3個函數(shù)，還需要列出所有的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

	QP嵌入式實時框架

	事件驅(qū)動型編程

	好萊塢原則：和傳統(tǒng)的順序式編程方法例如“超級循環(huán)”，或傳統(tǒng)的RTOS 的任務(wù)不同。絕大多數(shù)的現(xiàn)代事件驅(qū)動型系統(tǒng)根據(jù)好萊塢原則被構(gòu)造（Don’t call me; I’ll call you.）

	面向?qū)ο?/p>

	類和單一繼承

	

	工具

	QM ：一個通過UML類圖來描述狀態(tài)機的軟件，并且可以自動生成C代碼

	

	QS軟件追蹤工具

	

	QEP實現(xiàn)有限狀態(tài)機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*/
}
}
實現(xiàn)上面定時器例子
#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->timeouttimeout;
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;
????????????return?Q_HANDLED();
????????}
????????case?ARM_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();
}


	

	優(yōu)點

	采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法，很好的移植性

	實現(xiàn)了進入退出動作

	合適的粒度，且事件的粒度可控

	狀態(tài)切換時通過改變指針，效率高

	可擴展成為層次狀態(tài)機

	缺點

	對事件的定義以及事件粒度的控制是設(shè)計的最大難點，如串口接收到一幀數(shù)據(jù)，這些變量的更新單獨作為某個事件，還是串口收到數(shù)據(jù)作為一個事件。再或者顯示屏，如果使用此種編程方式，如何設(shè)計事件。

	QP 實現(xiàn)層次狀態(tài)機

	

	初始化層次狀態(tài)機的實現(xiàn)：在初始化時，用戶所選取的狀態(tài)永遠是最底層的狀態(tài)，如上圖，我們在計算器開機后，應(yīng)該進入的是開始狀態(tài)，這就涉及到一個問題，由最初top（頂狀態(tài)）到begin 是有一條狀態(tài)切換路徑的，當(dāng)我們設(shè)置狀態(tài)為begin如何搜索這條路徑成為關(guān)鍵（知道了路徑才能正確的進入begin,要執(zhí)行路徑中過渡狀態(tài)的進入和退出事件）

	
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;/*這里的狀態(tài)為begin*/

/*通過執(zhí)行空信號，從底層狀態(tài)找到頂狀態(tài)的路徑*/
(void)QEP_TRIG_(me->state,QEP_EMPTY_SIG_);
while(me->state!=t){
path[++ip]=me->state;
(void)QEP_TRIG_(me->state,QEP_EMPTY_SIG_);
}
/*切換為begin*/
me->state=path[0];/*restorethetargetoftheinitialtran.*/
/*鉆到最底層的狀態(tài)，執(zhí)行路徑中的所有進入事件*/
Q_ASSERT(ip=(int8_t)0);

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


	

	狀態(tài)切換

	
/*.................................................................*/
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為result和begin的超狀態(tài)................................................*/
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);//當(dāng)前狀態(tài)不能處理事件，直到找到能處理事件的狀態(tài)

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實時框架的組成

	

	內(nèi)存管理

	使用內(nèi)存池，對于低性能mcu，內(nèi)存極為有限，引入內(nèi)存管理主要是整個架構(gòu)中，是以事件作為主要的任務(wù)通信手段，且事件是帶參數(shù)的，可能相同類型的事件會多次觸發(fā)，而事件處理完成后，需要清除事件，無法使用靜態(tài)的事件，因此是有必要為不同事件創(chuàng)建內(nèi)存池的。對于不同塊大小的內(nèi)存池，需要考慮的是每個塊的起始地址對齊問題。在進行內(nèi)存池初始化時，我們是根據(jù)blocksize+header大小來進行劃分內(nèi)存池的。假設(shè)一個2字節(jié)的結(jié)構(gòu)，如果以2來進行劃分，假設(shè)mcu 4字節(jié)對齊，那么將有一半的結(jié)構(gòu)起始地址無法對齊，這時需要為每個塊預(yù)留空間，保證每個塊的對齊。

	

	事件隊列

	每一個活動對象維護一個事件隊列，事件都是由基礎(chǔ)事件派生的，不同類型的事件只需要將其基礎(chǔ)事件成員添加到活動對象的隊列中即可，最終在取出的時候通過一個強制轉(zhuǎn)換便能獲得附加的參數(shù)。

	

	事件派發(fā)

	直接事件發(fā)送QActive_postLIFO()

	發(fā)行訂閱事件發(fā)送豎軸表示信號（為事件的基類）活動對象支持64個優(yōu)先級，每一個活動對象要求擁有唯一優(yōu)先級通過優(yōu)先級的bit位來表示某個事件被哪些活動對象訂閱，并在事件觸發(fā)后根據(jù)優(yōu)先級為活動對象派發(fā)事件。

	

	代碼風(fēng)格

	

	

	   審核編輯：彭靜