Killoser

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嵌入式单片机编程学习:从基础了解状态机

2020-11-19 15:58:45 显示全部楼层
作者:李肖遥
//ID:技术让梦想更伟大

毫无疑问,单片机的万能语言就是状态机,在嵌入式单片机编程中,也是我们常用的方法。

本文将从最基础入门的方法帮助大家了解状态机,从我常用的2种状态机编写方式为大家慢慢展开。

switch/case的方法来实现

要点

用switch/case的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。
代码如下
  1. 1//代码参考网络
  2. 2
  3. 3//! 定义状态名称与状态值之间的关系
  4. 4#define FSM_START                                   0x00
  5. 5#define FSM_STATE_A                                 0x01
  6. 6#define FSM_STATE_B                                 0x02
  7. 7…
  8. 8#define FSM_RESET                                   0xFF
  9. 9
  10. 10bool fsm_example_A( <形参列表> ) {
  11. 11    static uint8_t s_chFSMState = FSM_START;//!< 定义状态变量
  12. 12                 …
  13. 13    switch ( s_chFSMState ) {
  14. 14        case FSM_START:
  15. 15            //! 这里添加状态机初始化代码
  16. 16            …
  17. 17            s_chFSMState = FSM_STATE_A;//!< 进入下一状态
  18. 18            break;
  19. 19        case FSM_STATE_A:
  20. 20            //! 这里添加状态机A进入下一状态的检测代码
  21. 21            if (<某某条件>) {
  22. 22                //! 这里做一些进入下一状态时要做的准备工作
  23. 23                s_chFSMState = FSM_STATE_B;//!< 进入下一状态
  24. 24            }
  25. 25            break;
  26. 26        case FSM_STATE_B:
  27. 27            //! 这里添加状态机A进入下一状态的检测代码
  28. 28            if (<某某条件>) {
  29. 29                //! 这里做一些进入下一状态时要做的准备工作
  30. 30                    s_chFSMState = FSM_STATE_A;//!< 进入下一状态
  31. 31            } else if (<某某条件>) {
  32. 32            } else if (<某某条件>) {
  33. 33                …
  34. 34            } else {
  35. 35            }
  36. 36            break;
  37. 37            …
  38. 38         case FSM_STOP:
  39. 39         case FSM_RESET:
  40. 40         default:
  41. 41             //! 这里添加状态机复位相关的代码
  42. 42             …
  43. 43             chFSMState = FSM_START;//!< 状态机复位
  44. 44             //! 返回false表示状态机已经不需要继续运行了
  45. 45             return false;                                                               
  46. 46      }
  47. 47
  48. 48      //! 返回true表示状态机正在运行
  49. 49      return true;                                                                                 
  50. 50}

小结

从代码可知,这种状态机就是一路走到黑,没有让多个状态同时处于激活状态,也就是说在同一时刻,只能处于一种状态之下。

无疑,实际中有很多这样的应用,比如简单的灯的开关,当然也有很多情况是多种状态并存的,比如天气的状态就可以分为晴天、阴天、风雨雷电等等,可以同时处于多个状态。

通用的if/else来了
要点

用if else…else if结构的组合来描述状态流程图。

范例
  1. 1//代码参考网络
  2. 2//! 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
  3. 3typedef union {
  4. 4    uint8_t     Value;
  5. 5    uint8_t     Byte;   
  6. 6    struct {
  7. 7        unsigned BIT0:1;
  8. 8        unsigned BIT1:1;
  9. 9        unsigned BIT2:1;
  10. 10        unsigned BIT3:1;
  11. 11        unsigned BIT4:1;
  12. 12        unsigned BIT5:1;
  13. 13        unsigned BIT6:1;
  14. 14        unsigned BIT7:1;
  15. 15    }Bits;
  16. 16}byte_t;
  17. 17
  18. 18#define FSM_ACTION_FLAG             s_tbState.Bits
  19. 19#define FSM_STOP_ALL_ACTIONS()      do {s_tbState.Value = 0;}while(0)
  20. 20#define FSM_START                   (0 == s_tbState.Value)
  21. 21#define FSM_STATE_A                 FSM_ACTION_FLAG.BIT0
  22. 22#define FSM_STATE_B                 FSM_ACTION_FLAG.BIT1
  23. 23…
  24. 24#define FSM_STATE_H                 FSM_ACTION_FLAG.BIT7
  25. 25
  26. 26bool fsm_example_B( <</span>形参列表> ) {
  27. 27    static byte_t s_tbState = {0};//!< 定义状态变量
  28. 28
  29. 29    if (FSM_START) { //!< 起始状态
  30. 30        //! 这里放置状态机初始化的代码
  31. 31        …
  32. 32       FSM_STATE_A = true;       //!< 进入状态B,start装台自动结束
  33. 33    }
  34. 34
  35. 35    if (FSM_STATE_A) {       //!< 一个典型的简单状态
  36. 36        //! 这里放置状态A的代码或者
  37. 37        …
  38. 38        //! 这里放置某些条件以开启别的状态
  39. 39        if (<</span>某些条件>) {
  40. 40            //! 这里做一些“进入”下一个状态之前的准备工作
  41. 41            FSM_STATE_B = true;     //!< 开启下一个状态
  42. 42            FSM_STATE_A = false;   //!< 结束当前状态
  43. 43        }
  44. 44    }
  45. 45
  46. 46    if (FSM_STATE_B) {       //!< 一个典型的监视状态
  47. 47        …
  48. 48        //! 这里检测某些条件
  49. 49        if (<</span>某些条件>) {
  50. 50            //! 这里做一些“开启”某个状态的准备工作
  51. 51            FSM_STATE_C = true;    //!< 开启某一个状态而不结束当前状态
  52. 52            FSM_STATE_D = true;    //!< 你当然可以一次触发多个状态
  53. 53            …
  54. 54        } else if (<</span>某些条件>) {
  55. 55            //! 满足某些条件以后关闭当前状态
  56. 56            FSM_STATE_B = false;
  57. 57        }
  58. 58    }
  59. 59    …
  60. 60    if (FSM_STATE_F) {             //!< 一个典型的子状态机调用
  61. 61        if (!fsm_example_a(<实参列表>)) {//!< 等待子状态机返回false
  62. 62            //!子状态机运行完成,进入下一状态
  63. 63            …
  64. 64            FSM_STATE_F = false;  //!< 结束当前状态
  65. 65            FSM_STATE_x = true;  //!< 进入下一状态x代表某个字母
  66. 66        }
  67. 67    }
  68. 68
  69. 69    if (FSM_STATE_H) {     //!< 一个典型的中止状态
  70. 70        //!< 某些状态机的操作,比如释放某些资源
  71. 71        …
  72. 72        FSM_STOP_ALL_ACTIONS();      //!< 复位状态机
  73. 73        return false;               //!< 返回false表示状态机结束
  74. 74    }
  75. 75
  76. 76    return true;               //!< 返回true表示状态机保持运行
  77. 77}

小结

从范例可知,这种状态机虽然看起来比较费脑子,但是在应用当中非常灵活,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。

并且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。

所有的函数都可以看作是状态机

要点

所有的函数都可以看作是状态机,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,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。

在我们实际编程中,我们也需要有这样的思维,比如函数之间的引用,参数传递,这些都可以当作一个状态,那么我们编码的过程中,就能够根据状态运行进行相应的模块化。

范例

我们经常会用到的枚举类型,来写测试用例,以判断程序具体执行到函数体的哪一块了
  1. 1enum
  2. 2{
  3. 3  test1=0,
  4. 4  test2,
  5. 5  test3,
  6. 6  test4,
  7. 7  ...
  8. 8}
  9. 9
  10. 10//举个简单的例子,根据返回值判断函数运行到哪里,来判断逻辑走向
  11. 11int testDemo()
  12. 12{
  13. 13    if (FSM_STATE_A) {
  14. 14      if (<</span>某些条件>) {
  15. 15        return test1;
  16. 16      }else{
  17. 17        return test2;
  18. 18      }
  19. 19    }else{
  20. 20      return test3;
  21. 21    }
  22. 22    return test4;
  23. 23}
小结

状态机可以说是一个万能的计算机语言表述方式,应用很广泛,是裸机条件下多任务的廉价实现方案。

状态机总结

在带有操作系统的情况下也是如此,我们了解了状态机的本质,能够运用得当的话,对我们的模块化编程,代码的整理是很有帮助的。

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