嵌入式技术
状态机模式是一种行为模式,在《设计模式》这本书中对其有详细的描述,通过多态实现不同状态的调转行为的确是一种很好的方法,只可惜在嵌入式环境下,有时只能写纯C代码,并且还需要考虑代码的重入和多任务请求跳转等情形,因此实现起来着实需要一番考虑。
近日在看了一个开源系统时,看到了一个状态机的实现,也学着写了一个,与大家分享。
首先,分析一下一个普通的状态机究竟要实现哪些内容。
状态机存储从开始时刻到现在的变化,并根据当前输入,决定下一个状态。这意味着,状态机要存储状态、获得输入(我们把它叫做跳转条件)、做出响应。
如上图所示,{s1, s2, s3}均为状态,箭头c1/a1表示在s1状态、输入为c1时,跳转到s2,并进行a1操作。
最下方为一组输入,状态机应做出如下反应:
当前状态 | 输入 | 下一个状态 | 动作 |
s1 | c1 | s2 | a1 |
s2 | c2 | s3 | a2 |
s3 | c1 | s2 | a3 |
s2 | c2 | s3 | a2 |
s3 | c1 | s2 | a3 |
s2 | c1 | s_trap | a_trap |
s_trap | c1 | s_trap | a_trap |
当某个状态遇到不能识别的输入时,就默认进入陷阱状态,在陷阱状态中,不论遇到怎样的输入都不能跳出。
为了表达上面这个自动机,我们定义它们的状态和输入类型:
typedef int State; typedef int Condition; #define STATES 3 + 1 #define STATE_1 0 #define STATE_2 1 #define STATE_3 2 #define STATE_TRAP 3 #define CONDITIONS 2 #define CONDITION_1 0 #define CONDITION_2 1
在嵌入式环境中,由于存储空间比较小,因此把它们全部定义成宏。此外,为了降低执行时间的不确定性,我们使用O(1)的跳转表来模拟状态的跳转。
首先定义跳转类型:
typedef void(*ActionType)(State state, Condition condition); typedef struct { State next; ActionType action; } Trasition, * pTrasition;
然后按照上图中的跳转关系,把三个跳转加一个陷阱跳转先定义出来:
// (s1, c1, s2, a1) Trasition t1 = { STATE_2, action_1 }; // (s2, c2, s3, a2) Trasition t2 = { STATE_3, action_2 }; // (s3, c1, s2, a3) Trasition t3 = { STATE_2, action_3 }; // (s, c, trap, a1) Trasition tt = { STATE_TRAP, action_trap };
其中的动作,由用户自己完成,在这里仅定义一条输出语句。
void action_1(State state, Condition condition) { printf("Action 1 triggered. "); }
最后定义跳转表:
pTrasition transition_table[STATES][CONDITIONS] = { /* c1, c2*/ /* s1 */&t1, &tt, /* s2 */&tt, &t2, /* s3 */&t3, &tt, /* st */&tt, &tt, };
即可表达上文中的跳转关系。
最后定义状态机,如果不考虑多任务请求,那么状态机仅需要存储当前状态便行了。例如:
typedef struct { State current; } StateMachine, * pStateMachine; State step(pStateMachine machine, Condition condition) { pTrasition t = transition_table[machine->current][condition]; (*(t->action))(machine->current, condition); machine->current = t->next; return machine->current; }
但是考虑到当一个跳转正在进行的时候,同时又有其他任务请求跳转,则会出现数据不一致的问题。
举个例子:task1(s1, c1/a1 –> s2) 和 task2(s2, c2/a2 –> s3) 先后执行,是可以顺利到达s3状态的,但若操作a1运行的时候,执行权限被task2抢占,则task2此时看到的当前状态还是s1,s1遇到c2就进入陷阱状态,而不会到达s3了,也就是说,状态的跳转发生了不确定,这是不能容忍的。
因此要重新设计状态机,增加一个“事务中”条件和一个用于存储输入的条件队列。修改后的代码如下:
#define E_OK 0 #define E_NO_DATA 1 #define E_OVERFLOW 2 typedef struct { Condition queue[QMAX]; int head; int tail; bool overflow; } ConditionQueue, * pConditionQueue; int push(ConditionQueue * queue, Condition c) { unsigned int flags; Irq_Save(flags); if ((queue->head == queue->tail + 1) || ((queue->head == 0) && (queue->tail == 0))) { queue->overflow = true; Irq_Restore(flags); return E_OVERFLOW; } else { queue->queue[queue->tail] = c; queue->tail = (queue->tail + 1) % QMAX; Irq_Restore(flags); } return E_OK; } int poll(ConditionQueue * queue, Condition * c) { unsigned int flags; Irq_Save(flags); if (queue->head == queue->tail) { Irq_Restore(flags); return E_NO_DATA; } else { *c = queue->queue[queue->head]; queue->overflow = false; queue->head = (queue->head + 1) % QMAX; Irq_Restore(flags); } return E_OK; } typedef struct { State current; bool inTransaction; ConditionQueue queue; } StateMachine, * pStateMachine; static State __step(pStateMachine machine, Condition condition) { State current = machine -> current; pTrasition t = transition_table[current][condition]; (*(t->action))(current, condition); current = t->next; machine->current = current; return current; } State step(pStateMachine machine, Condition condition) { Condition next_condition; int status; State current; if (machine->inTransaction) { push(&(machine->queue), condition); return STATE_INTRANSACTION; } else { machine->inTransaction = true; current = __step(machine, condition); status = poll(&(machine->queue), &next_condition); while(status == E_OK) { __step(machine, next_condition); status = poll(&(machine->queue), &next_condition); } machine->inTransaction = false; return current; } } void initialize(pStateMachine machine, State s) { machine->current = s; machine->inTransaction = false; machine->queue.head = 0; machine->queue.tail = 0; machine->queue.overflow = false; }
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