状态机实践入门

转自 ouravr论坛，原文地址：http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4585393&bbs_page_no=1&bbs_id=9999 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.