原创状态机实践

 2011-3-8 11:16  2225 8 9 分类: 工业电子

不用怀疑，单片机的万能语言就是状态机。还希望大家不要条件反射式的看到状态机就
以为我要讲什么VHDL的东西——状态机是一种思维模式，是计算机理论的立足之本（不
相信请参考清华大学出版社的《自动机理论与应用》）——因此状态机的实现与语言本
身关系并不是绝对的。本文要讨论的状态机，从实现方式上更类似于Java中常用的那种
思维模式，而与VHDL相去甚远。
路要一步一步走，饭要一口一口吃，为了不把后来人吓跑，状态机理论中更多复杂的部
分，我会在以后专门写文章讨论，这里我先找一个切入点，从我常用的2种状态机编写
方式为大家慢慢展开。

首先，关于几个问题，比如：什么地方用状态机？状态机究竟有几种写法？状态机效率
到底高不高？是不是把简单问题弄复杂了？这类问题统统不在本文讨论之列，简而言之
——谁用谁知道。其实，还不能简单的就这么下了结论，套八股文而不求甚解的也大有
人在————因此我要说：关于状态机的各种问题“谁思考谁实践谁坚持谁知道”。

状态机入门第一式：switch case一线到底
要点： 用switch结构配合一个状态变量，通过修改状态变量的值来切换状态。
范例：

 //! 定义状态名称与状态值之间的关系，增加可读性
 #define FSM_START 0x00
 #define FSM_STATE_A 0x01
 #define FSM_STATE_B 0x02
 …
 #define FSM_RESET 0xFF
 bool fsm_example_A( <形参列表> ) {
 static uint8_t s_chFSMState = FSM_START; //!< 定义状态变量
 …
 switch ( s_chFSMState ) {
 case FSM_START:
 //! 这里添加状态机初始化代码
 …
 s_chFSMState = FSM_STATE_A; //!< 进入下一状态
 break;
 case FSM_STATE_A:
 //! 这里添加状态机A进入下一状态的检测代码
 if (<某某条件>) {
 //! 这里做一些进入下一状态时要做的准备工作
 s_chFSMState = FSM_STATE_B; //!< 进入下一状态
 }
 break;
 case FSM_STATE_B:
 //! 这里添加状态机A进入下一状态的检测代码
 if (<某某条件>) {
 //! 这里做一些进入下一状态时要做的准备工作
 s_chFSMState = FSM_STATE_A; //!< 进入下一状态
 } else if (<某某条件>) {
 } else if (<某某条件>) {
 …
 } else {
 }
 break;
 …
 case FSM_STOP:
 case FSM_RESET:
 default:
 //! 这里添加状态机复位相关的代码
 …
 chFSMState = FSM_START; //!< 状态机复位

 //! 返回false表示状态机已经不需要继续运行了
 return false;
 }

 //! 返回true表示状态机正在运行
 return true;
 }
总结： 从范例可知，这种状态机就是一根筋……并不是说他走不出什么分支来，而
 是说通常他没有办法让多个状态同时处于激活状态。

状态机入门第二式：if 判断变化无穷
要点： 用if else…else if结构的组合来描述状态流程图。
什么是状态流程图？我不想多解释，因为就那么个简单的东西，说多了反而神秘兮兮的。
状态流程图你可以简单粗暴的认为，他就是流程图，等你用得多了，你就渐渐明白为啥
多了“状态”二字；如果你后来或者先前学过状态图，那么很快你就会明白状态流程图
比状态图“高级”了多少。
1、不管怎么说，你可以先为你要处理的事物画一个流程图。如果流程图都不会画，就
 不用凑热闹了。
2、接下来，把流程图上每一个方框或者判断筐都“简单粗暴”地看成一个状态。
3、将每一个状态用if结构表示出来
 if (<状态标志>) {
 //! 状态代码
 …
 }
4、自己看着办，合并多余的状态，优化优化代码。
范例：

 //! 首先将布尔量的状态标志压缩在一个字节里面以节省内存开支
 typedef union {
 uint8_t Value;
 uint8_t Byte;
 struct {
 unsigned BIT0:1;
 unsigned BIT1:1;
 unsigned BIT2:1;
 unsigned BIT3:1;
 unsigned BIT4:1;
 unsigned BIT5:1;
 unsigned BIT6:1;
 unsigned BIT7:1;
 } Bits;
 }byte_t;

 #define FSM_ACTION_FLAG s_tbState.Bits
 #define FSM_STOP_ALL_ACTIONS() do {s_tbState.Value = 0;}while(0)
 #define FSM_START (0 == s_tbState.Value)
 #define FSM_STATE_A FSM_ACTION_FLAG.BIT0
 #define FSM_STATE_B FSM_ACTION_FLAG.BIT1
 …
 #define FSM_STATE_H FSM_ACTION_FLAG.BIT7

 bool fsm_example_B( <形参列表> ) {
 static byte_t s_tbState = {0}; //!< 定义状态变量

 if (FSM_START) { //!< 起始状态
 //! 这里放置状态机初始化的代码
 …
 FSM_STATE_A = true; //!< 进入状态B，start装台自动结束
 }

 if (FSM_STATE_A) { //!< 一个典型的简单状态
 //! 这里放置状态A的代码或者
 …
 //! 这里放置某些条件以开启别的状态
 if (<某些条件>) {
 //! 这里做一些“进入”下一个状态之前的准备工作
 FSM_STATE_B = true; //!< 开启下一个状态
 FSM_STATE_A = false; //!< 结束当前状态
 }
 }

 if (FSM_STATE_B) { //!< 一个典型的监视状态
 …
 //! 这里检测某些条件
 if (<某些条件>) {
 //! 这里做一些“开启”某个状态的准备工作
 FSM_STATE_C = true; //!< 开启某一个状态而不结束当前状态
 FSM_STATE_D = true; //!< 你当然可以一次触发多个状态
 …
 } else if (<某些条件>) {
 //! 满足某些条件以后关闭当前状态
 FSM_STATE_B = false;
 }
 }
 …
 if (FSM_STATE_F) { //!< 一个典型的子状态机调用
 if (!fsm_example_a(<实参列表>)) { //!< 等待子状态机返回false
 //!子状态机运行完成，进入下一状态
 …
 FSM_STATE_F = false; //!< 结束当前状态
 FSM_STATE_x = true; //!< 进入下一状态x代表某个字母
 }
 }

 if (FSM_STATE_H) { //!< 一个典型的中止状态
 //!< 某些状态机的操作，比如释放某些资源
 …
 FSM_STOP_ALL_ACTIONS(); //!< 复位状态机
 return false; //!< 返回false表示状态机结束
 }

 return true; //!< 返回true表示状态机保持运行
 }
总结： 从范例可知，这种状态机非常灵活，通过布尔变量的开启和关闭，你可以自
由的控制某些状态的开启。同一时刻可能有多个状态是激活的。这种结构几乎可以翻译
任何流程图。具体还有很多好处，可以在使用中体会。

状态机入门第三式：状态在心中，无态也变态
要点： 所有的函数都可以看作是状态机，只不过普通的函数是一个只有单一状态的
状态机。如果函数有返回值，且这个返回值能表征至少两种以上不同的状态（比如返回
是一个指针，那么NULL和非NULL就是两种状态；比如返回是一个布尔变量，那么true和
false就是两种状态；比如返回的是一个整数，并且整数的某些特征可以被分类，那么
这些不同分类就是几种不同的状态），那么这些返回值就可以被用作指示当前状态机的
运行情况。状态机可以调用子状态机。所有的状态都应该是none-block的，简单说就是
不会把系统定死在某一个状态里面很久都出不来，比如while(1)或者循环次数较大的for
结构；否则状态机的存在意义就大打折扣——直接按照流程图写代码不就好了，干吗非
要翻译成状态机？状态机中，状态的功能应该是等待某一个事件的发生（或者说条件的
满足）；某些情况下，一些一次性执行完的流程也可以独立成一个状态——它当然没有
等待任何条件的满足，你可以认为他是无条件进行状态转移的。

总体说来，状态机是一个万能的计算机语言表述方式，与具体的载体语言关系不大。心
中有状态，代码怎会无状态？状态机是裸机条件下多任务的廉价实现方案。在状态机多
任务条件下，操作系统牵涉的几乎所有概念都会有所涉及，比如任务的同步，临界区的
保护，任务间的通讯，任务的优先级，资源的动态分配等等。你可以这么理解，每一个
状态机都是一个进程，每一个状态都是一个线程，因为进程有自己的资源，而同一个进
程里面的多个线程是公用同一片资源的。你甚至可以在有抢占式操作系统的情况下用状
态机，这个时候，操作系统的每一个任务都是个内核，那么整个系统开发就可以登小于
多核系统开发了。
是不是很有意思？没意思就别看了！状态机的种种，以后再表。

Have a good time.

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