嵌入式软件架构设计之状态机

汽车电子技术 2023-02-15 2104

描述

前言

功能业务代码写多了，回看代码会发现用if-else if-else用的越来越多，因为有很多场景需要区分，不同场景下的功能不一样，因此需要通过if做判断，场景一旦多了起来起来，用if-else if-else就会越来越多。

这里的if-else if-else通常是用来区分不同场景下的功能实现，和上篇提到的表驱动编程还不太一样。

为了避免这种情况，本编介绍一种开发方法-- 状态机编程 。

为什么需要状态机编程？相信很多人在实现if判断的时候，偶尔会出现不小心漏掉或者写错一些触发条件，导致功能出现异常的问题，特别是一些复杂的逻辑条件，一大堆的&&/||/()等眼花缭乱的复杂逻辑，写完之后恐怕自己都得检查好一会，担心是不是哪个条件不能正常触发。状态机通常采用 switch-case实现。

那么状态机的引入解决了哪些问题呢？

当程序有多个状态时，规范了程序的状态转换，避免了一些引入一些复杂的判断逻辑。

规范了程序在不同状态下的实现和所能提供的能力。

在能力上可以进行横向扩展，提供新的状态来完善现有逻辑

逻辑清楚，实现过程会多考虑一些情况，方便定位问题所在

介绍

什么是状态机？

状态机是有限状态自动机（FSM）的简称，是现实事物运行规则抽象而成的一个 数学模型 。

简单理解就是：现实事物是有不同状态的，比如灯，就有“亮”和“灭”两种状态，再复杂抽象一点，增加一个“损坏”状态，那这属于异常情况了。

概念

现态：当前所处的状态，一个状态机至少要包含两个状态，某一时刻只能是一种状态，比如刚才说到的灯，就有“亮”和“灭”两种状态
条件：又称事件，执行某个操作的触发条件或者口令，比如灯通过开关控制，操作开关就是一个事件
动作：事件发生以后要执行动作，比如开关按下开关，灯亮，松开则灭
次态：条件满足后要迁往的新状态，比如开关按下后灯从当前灭的状态变为亮的状态

数学模型

用过"RTOS"的朋友应该也知道任务的几种状态，任务的四种状态分别是： 就绪态、运行态、阻塞态、挂起态 ，不会同时出现两种及两种以上的状态存在，OS 根据当前的状态，和任务优先级、滴答时钟、主动睡眠等条件进行任务的状态切换。

状态机的动作类型

进入动作：在进入状态时进行
退出动作：在退出状态时进行
输入动作：依赖于当前状态和输入条件进行
转移动作：在进行特定转移时进行

实现

首先，看一个简单的例子，在不同场景下实现控制电机的功能：设备开机启动三次电机、开关按下一次启动一次、关机启动三次电机。采用非状态机的写法，通过各种标志位去判断设备是否需要控制电机，什么条件下退出等。

只是简单的实现一下，可能其中也有一些状态机的思想吧（毕竟状态机编程思想已经在脑海里，不可避免吧），不过我还是尽量还原我初次编程期间的实现这个功能的逻辑思想吧，勿怪。

/* 控制电机函数 */
void MotorCtrlTask(void)
{
    if (ctrlCnt)
    {
        MotorCtrl(ON);
        delay(1);
        MotorCtrl(OFF);
    }
    else
    {
        MotorCtrl(OFF);
    }
}

int isPowerOn = true;
int isPowerOff = false;
int ctrlCnt = 0;

void main(void)
{   
    while (1)
    {
        if (isPowerOn)
        {
            isPowerOn = false;
            ctrlCnt = 3;
        }

        if (keyPress)
        {
            keyPress = false;
            ctrlCnt = 1;
        }

        if (...)  // 关机条件
        {
            if (ctrlCnt == 0 && !isPowerOff && !isPowerOn)
            {
                isPowerOff = true;
                ctrlCnt = 3;
            }
        }

        MotorCtrlTask();

        if (ctrlCnt > 0)
            ctrlCnt--;
        else
        {
            if (ctrlCnt == 0 && isPowerOff && !isPowerOn)
            {
                return;
            }
        }
    }
}

通过采用状态机编程的方式，首先考虑的就是有三种状态：开机、关机和工作状态，先理清楚三种状态之间转换的条件和当前状态需要执行的相关功能，然而在实现过程中就会意识到还需要增加一种过渡状态：关机准备中（关机过程中需要执行的一系列操作）。

只有逻辑清晰了，才会下意识的察觉少了一些东西了，特别是一些临界处理等。

int sysState = POWER_OFF; // 默认关机状态
int ctrlCnt = 0;

/* 控制电机函数 */
void MotorCtrlTask(void)
{
    if (ctrlCnt)
    {
        MotorCtrl(ON);
        delay(1);
        MotorCtrl(OFF);
    }
    else
    {
        MotorCtrl(OFF);
    }
}

void main(void)
{
    while (1)
    {
        switch (sysState)
        {
            case POWER_OFF: // 关机状态
                sysState = POWER_ON; // 自动切换成开机状态
                ctrlCnt = 3;
                break;
            case POWER_ON:  // 开机过程状态
                ... // 开机过程中的其他功能

                if (ctrlCnt == 0) // 控制结束自动切换工作状态
                {
                    sysState = WORKING;
                    break;
                }
                break;
            case WORKING:  // 工作状态
                if (...) // 关机条件
                {
                    sysState = POWER_OFF_READY;
                    ctrlCnt = 3;
                    break;
                }

                if (keyPress)
                {
                    keyPress = false;
                    ctrlCnt = 1;
                }
                break;

            case POWER_OFF_READY:  // 关机准备中
                ... // 关机准备中的其他功能

                if (ctrlCnt == 0) // 控制结束自动退出
                {
                    sysState = POWER_OFF;
                    return; // 退出程序
                }
                break;

            default:
                break;
        }

        MotorCtrlTask();

        if (ctrlCnt > 0)
            ctrlCnt--;
    }
}

总结：从上述两份代码看，你觉得哪一个逻辑更清晰呢？非状态机实现方式还有一些异常处理没有实现，比如开机过程中在启动三次调节电机过程中按下会有什么现象呢，为了避免这种情况又需要加入多少if条件判断呢？

适用场景

状态机应用范围挺广的，不止是在C语言中，其他都能使用，准确来说这个属于一种编程思想。特别是业务功能，状态机是常用的。

比如常常使用的模块也有状态机的身影：比如按键的按下和松开，按下又包括按下瞬间、多次按下、持续按下、松开瞬间和持续松开等

通常状态机和表驱动可以结合使用，状态机的现态、条件、动作和次态作为数据，执行这些状态切换的作为逻辑。完全可以根据实际情况灵活使用。

代码参考：

菜单：菜单控制，可以这样理解：当前菜单界面为现态、菜单进入和退出为条件、菜单切换时的函数执行为动作、上下级菜单理解为次态，其中菜单选项表就灵活使用了状态机和表驱动的方式。

https://gitee.com/const-zpc/menu.git

ESP8266 ：AT指令数据表，包含指令、期望响应、时间和函数指针【后续的动作】等，可以这样理解：数组索引当前值为现态、收到响应和超时为条件、收到响应或超时执行的函数为动作、数组索引的未来值为次态

https://gitee.com/const-zpc/esp8266

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