C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)嵌入式狀態(tài)機(jī)的三種方法

01?switch—case 法

狀態(tài)用 switch—case 組織起來(lái)， 將事件也用switch—case 組織起來(lái)， 然后讓其中一個(gè) switch—case 整體插入到另一個(gè) switch—case 的每一個(gè) case 項(xiàng)中 ?。

「程序清單 List4 ?：」

?

switch(StateVal)
{
????case?S0:
??switch(EvntID)
??{
???case?E1:
????action_S0_E1();?/*S0?狀態(tài)下?E1?事件的響應(yīng)*/
????StateVal?=?new?state?value;/*狀態(tài)遷移，不遷移則沒(méi)有此行*/
????break;
???case?E2:
????action_S0_E2();?/*S0?狀態(tài)下?E2?事件的響應(yīng)*/
????StateVal?=?new?state?value;
????break;
???......
???case?Em:
????action_S0_Em();?/*S0?狀態(tài)下?Em?事件的響應(yīng)*/
????StateVal?=?new?state?value;
????break;
???default:
????break;
??}
??break;
????case?S1:
??......
??break;
????......
????case?Sn:
??......
??break;
????default:
??break;
}

?

上面的偽代碼示例只是通用的情況，實(shí)際應(yīng)用遠(yuǎn)沒(méi)有這么復(fù)雜。雖然一個(gè)系統(tǒng)中事件可能有很多種，但在實(shí)際應(yīng)用中，許多事件可能對(duì)某個(gè)狀態(tài)是沒(méi)有意義的。

例如在程序清單 List4中，如果 E2、······ Em 對(duì)處在 S0 狀態(tài)下的系統(tǒng)沒(méi)有意義，那么在 S0 的 case 下有關(guān)事件E2、······ Em 的代碼根本沒(méi)有必要寫,狀態(tài) S0 只需要考慮事件 E1 的處理就行了。

既然是兩個(gè) switch—case 之間的嵌套， 那么就有一個(gè)誰(shuí)嵌套誰(shuí)的問(wèn)題， 所以說(shuō) switch—case法有兩種寫法：狀態(tài)嵌套事件和事件嵌套狀態(tài)。這兩種寫法都可以， 各有利弊， 至于到底選用哪種方式就留給設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體情況自行決斷吧。

關(guān)于 switch—case 法還有最后一點(diǎn)要說(shuō)明， 因?yàn)?switch—case 的原理是從上到下挨個(gè)比較，越靠后，查找耗費(fèi)的時(shí)間就越長(zhǎng)，所以要注意狀態(tài)和事件在各自的 switch 語(yǔ)句中的安排順序，不推薦程序清單 List4 那樣按順序號(hào)排布的方式。出現(xiàn)頻率高或者實(shí)時(shí)性要求高的狀態(tài)和事件的位置應(yīng)該盡量靠前。

02?表格驅(qū)動(dòng)法

如果說(shuō)** switch—case 法是線性的**，那么表格驅(qū)動(dòng)法則是平面的。表格驅(qū)動(dòng)法的實(shí)質(zhì)就是將狀態(tài)和事件之間的關(guān)系固化到一張二維表格里， 把事件當(dāng)做縱軸，把狀態(tài)當(dāng)做橫軸，交點(diǎn)[Sn , Em]則是系統(tǒng)在 Sn 狀態(tài)下對(duì)事件 Em 的響應(yīng) ?。

如圖 4， 我把表格中的 Node_SnEm 叫做狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)， 狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn) Node_SnEm 是系統(tǒng)在 Sn狀態(tài)下對(duì)事件 Em 的響應(yīng)。這里所說(shuō)的響應(yīng)包含兩個(gè)方面：輸出動(dòng)作和狀態(tài)遷移。狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)一般是一個(gè)類似程序清單 List5 中的結(jié)構(gòu)體變量 。

?

struct?fsm_node
{
????void?(*fpAction)(void*?pEvnt);
????INT8U?u8NxtStat;
};

?

程序清單 List5 中的這個(gè)結(jié)構(gòu)體有兩個(gè)成員：fpAction?和?u8NxtStat。fpAction?是一個(gè)函數(shù)指針， 指向一個(gè)形式為?void func(void * pEvnt)的函數(shù)，?func?這個(gè)函數(shù)是對(duì)狀態(tài)轉(zhuǎn)移中動(dòng)作序列的標(biāo)準(zhǔn)化封裝。

也就是說(shuō)， 狀態(tài)機(jī)在狀態(tài)遷移的時(shí)候， 不管輸出多少個(gè)動(dòng)作、操作多少個(gè)變量、調(diào)用多少個(gè)函數(shù)，這些行為統(tǒng)統(tǒng)放到函數(shù)?func?中去做。

把動(dòng)作封裝好了之后，再把封裝函數(shù)?func?的地址交給函數(shù)指針?fpAction，這樣，想要輸出動(dòng)作，只需要調(diào)用函數(shù)指針?fpAction?就行了。

再看看上面的?func?函數(shù)，會(huì)發(fā)現(xiàn)函數(shù)有一個(gè)形參?pEvnt，這是一個(gè)類型為?void *?的指針， 在程序?qū)嶋H運(yùn)行時(shí)指向一個(gè)能存儲(chǔ)事件的變量，通過(guò)這個(gè)指針我們就能獲知關(guān)于事件的全部信息，這個(gè)形參是很有必要的。

事件一般包括兩個(gè)屬性：事件的類型和事件的內(nèi)容。

例如一次按鍵事件，我們不僅要知道這是一個(gè)按鍵事件，還要知道按下的到底是哪個(gè)鍵。

事件的類型和狀態(tài)機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)可以讓我們?cè)趫D 4 的表格中迅速定位，確定該調(diào)用哪個(gè)動(dòng)作封裝函數(shù)， 但是動(dòng)作封裝函數(shù)要正確響應(yīng)事件還需要知道事件的內(nèi)容是什么， 這也就是形參pEvnt?的意義。

由于事件的多樣性，存儲(chǔ)事件內(nèi)容的數(shù)據(jù)格式不一定一樣，所以就把 pEvnt 定義成了?void *?型，以增加靈活性。

有關(guān) fpAction 的最后一個(gè)問(wèn)題：如果事件?Em?對(duì)狀態(tài)?Sn?沒(méi)有意義，那么狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)Node_SnEm 中的 fpAction 該怎么辦？

我的答案是：那就讓它指向一個(gè)空函數(shù)唄！前面不是說(shuō)過(guò)么，什么也不干也叫響應(yīng)。

u8NxtStat?存儲(chǔ)的是狀態(tài)機(jī)的一個(gè)狀態(tài)值。我們知道， 狀態(tài)機(jī)響應(yīng)事件要輸出動(dòng)作， 也就是調(diào)用函數(shù)指針 fpAction 所指向的那個(gè)封裝函數(shù)， 函數(shù)調(diào)用完畢后程序返回主調(diào)函數(shù)， 狀態(tài)機(jī)對(duì)事件的響應(yīng)就算結(jié)束了， 下一步就要考慮狀態(tài)遷移的問(wèn)題了。

可能要保持本狀態(tài)不變， 也可能要遷移到一個(gè)新的狀態(tài)，該如何抉擇呢？u8NxtStat 存儲(chǔ)的狀態(tài)就是狀態(tài)機(jī)想要的答案！

圖 4 的這張表格反映在 C 語(yǔ)言代碼里就是一個(gè)二維數(shù)組，第 1 維就是狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，第 2維就是統(tǒng)一分類的事件，而數(shù)組的元素則是程序清單 List5 中的結(jié)構(gòu)體常量。

如果程序中使用表格驅(qū)動(dòng)法，還需要注意一些特別的事項(xiàng)。要將狀態(tài)當(dāng)做表格的橫軸，那么就要求狀態(tài)值集合必須滿足以下條件：

(1) 該集合是一個(gè)遞增的等差整數(shù)數(shù)列

(2) 該數(shù)列初值為 0

(3) 該數(shù)列等差值為 1

“事件” 作為縱軸，其特點(diǎn)和要求與用來(lái)做橫軸的“狀態(tài)” 完全一致。在 C 語(yǔ)言提供的數(shù)據(jù)類型中， 沒(méi)有比枚舉更符合以上要求的可選項(xiàng)了， 極力推薦將狀態(tài)集合和事件類型集合做成枚舉常量。表格驅(qū)動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)用接口統(tǒng)一 ，定位快速。

表格驅(qū)動(dòng)法屏蔽了不同狀態(tài)下處理各個(gè)事件的差異性，因此可以將處理過(guò)程中的共性部分提煉出來(lái)，做成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的框架式代碼，形成統(tǒng)一的調(diào)用接口。

根據(jù)程序清單 List5 中的狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體，做成的框架代碼如程序清單 List6 所示。

表格驅(qū)動(dòng)法查找目標(biāo)實(shí)際上就是一次二維數(shù)組的尋址操作，所以它的平均效率要遠(yuǎn)高于switch—case 法。

「程序清單 List6 ?：」

?

extern?struct?fsm_node?g_arFsmDrvTbl[][];?/*狀態(tài)機(jī)驅(qū)動(dòng)表格*/
INT8U?u8CurStat?=?0;?/*狀態(tài)暫存*/
INT8U?u8EvntTyp?=?0;?/*事件類型暫存*/
void*?pEvnt?=?NULL;?/*事件變量地址暫存*/
struct?fsm_node?stNodeTmp?=?{NULL,?0};?/*狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)暫存*/
u8CurStat?=?get_cur_state();?/*讀取當(dāng)前狀態(tài)*/
u8EvntTyp?=?get_cur_evnt_typ();?/*讀取當(dāng)前觸發(fā)事件類型*/
pEvnt?=?(void*)get_cur_evnt_ptr();?/*讀取事件變量地址*/
stNodeTmp?=?g_arFsmDrvTbl[u8CurStat?][u8EvntTyp?];/*定位狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)*/
stNodeTmp.fpAction(pEvnt?);?/*動(dòng)作響應(yīng)*/
set_cur_state(stNodeTmp.u8NxtStat);?/*狀態(tài)遷移*/
.....

?

表格驅(qū)動(dòng)法好則好矣，但用它寫出來(lái)的程序還有點(diǎn)兒小問(wèn)題，我們先來(lái)看看按照表格驅(qū)動(dòng)法寫出來(lái)的程序有什么特點(diǎn) 。

前面說(shuō)過(guò)，表格驅(qū)動(dòng)法可以把狀態(tài)機(jī)調(diào)度的部分做成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的框架代碼，這個(gè)框架適用性極強(qiáng)， 不管用狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)什么樣的應(yīng)用， 框架代碼都不需要做改動(dòng)， 我們只需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合規(guī)劃好狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，然后將圖中的各個(gè)要素（狀態(tài)、事件、動(dòng)作、遷移，有關(guān)“條件”要素一會(huì)兒再說(shuō)）用代碼實(shí)現(xiàn)就行了，我把這部分代碼稱作應(yīng)用代碼。

在應(yīng)用代碼的.c 文件中， 你會(huì)看到一個(gè)聲明為 const 的二維數(shù)組， 也就是圖 4 所示的狀態(tài)驅(qū)動(dòng)表格， 還會(huì)看到許多彼此之間毫無(wú)關(guān)聯(lián)的函數(shù)， 也就是前面提到的動(dòng)作封裝函數(shù)。

這樣的一份代碼， 如果手頭上沒(méi)有一張狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖， 讓誰(shuí)看了也會(huì)一頭霧水， 這樣的格式直接帶來(lái)了代碼可讀性差的問(wèn)題。

如果我們想給狀態(tài)機(jī)再添加一個(gè)狀態(tài)，反映到代碼上就是給驅(qū)動(dòng)表格再加一列內(nèi)容，同時(shí)也要新添加若干個(gè)動(dòng)作封裝函數(shù)。

如果驅(qū)動(dòng)表格很大， 做這些工作是很費(fèi)事兒的， 而且容易出錯(cuò)。如果不小心在數(shù)組中填錯(cuò)了位置， 那么程序跑起來(lái)就和設(shè)計(jì)者的意圖南轅北轍了，

遠(yuǎn)沒(méi)有在?switch—case?法中改動(dòng)來(lái)得方便、安全。Extended State Machine 的最大特點(diǎn)就是狀態(tài)機(jī)響應(yīng)事件之前先判斷條件，根據(jù)判定結(jié)果選擇執(zhí)行哪些動(dòng)作，轉(zhuǎn)向哪個(gè)狀態(tài)。

也就是說(shuō)，系統(tǒng)在狀態(tài) Sn 下發(fā)生了事件 Em 后，轉(zhuǎn)向的狀態(tài)不一定是唯一的，這種靈活性是 Extended State Machine 的最有價(jià)值的優(yōu)點(diǎn)。

回過(guò)頭來(lái)看看程序清單 List5 中給出的狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體，如果系統(tǒng)在狀態(tài) Sn 下發(fā)生了事件 Em， 狀態(tài)機(jī)執(zhí)行完 fpAction 所給出的動(dòng)作響應(yīng)之后， 必須轉(zhuǎn)到 u8NxtStat 指定的狀態(tài)。

表格驅(qū)動(dòng)法的這個(gè)特性直接杜絕了 Extended State Machine 在表格驅(qū)動(dòng)法中應(yīng)用的可能性， 所以表格驅(qū)動(dòng)法的代碼實(shí)現(xiàn)中不存在“條件” 這個(gè)狀態(tài)機(jī)要素。ESM，你是如此的優(yōu)秀，我怎么舍得拋棄你 ？！

再看圖 4 所示的表格驅(qū)動(dòng)法示例圖，如果我們把表格中的代表事件的縱軸去掉，只留下代表狀態(tài)的橫軸，將一列合并成一格，前文提到的問(wèn)題是不是能得到解決呢？不錯(cuò)！這就是失傳江湖多年的《葵花寶典》 ——閹割版表格驅(qū)動(dòng)法??。?/p>

閹割版表格驅(qū)動(dòng)法，又名壓縮表格驅(qū)動(dòng)法，一維狀態(tài)表格與事件 switch—case 的合體。壓縮表格驅(qū)動(dòng)法使用了一維數(shù)組作為驅(qū)動(dòng)表格，數(shù)組的下標(biāo)即是狀態(tài)機(jī)的各個(gè)狀態(tài)。

表格中的元素叫做壓縮狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)， 節(jié)點(diǎn)的主要內(nèi)容還是一個(gè)指向動(dòng)作封裝函數(shù)的函數(shù)指針， 只不過(guò)這個(gè)動(dòng)作封裝函數(shù)不是為某個(gè)特定事件準(zhǔn)備的， 而是對(duì)所有的事件都有效的。

節(jié)點(diǎn)中不再?gòu)?qiáng)制指定狀態(tài)機(jī)輸出動(dòng)作完畢后所轉(zhuǎn)向的狀態(tài)， 而是讓動(dòng)作封裝函數(shù)返回一個(gè)狀態(tài)， 并把這個(gè)狀態(tài)作為狀態(tài)機(jī)新的狀態(tài)。

壓縮表格驅(qū)動(dòng)法的這個(gè)特點(diǎn)，?完美的解決了 Extended State Machine 不能在表格驅(qū)動(dòng)法中使用的問(wèn)題?。

程序清單 List7 中的示例代碼包含了壓縮狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體和狀態(tài)機(jī)調(diào)用的框架代碼。

「程序清單 List7：」

?

struct?fsm_node?/*壓縮狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體*/
{
?INT8U?(*fpAction)(void*?pEvnt);?/*事件處理函數(shù)指針*/
?INT8U?u8StatChk;?/*狀態(tài)校驗(yàn)*/
};
......
u8CurStat?=?get_cur_state();?/*讀取當(dāng)前狀態(tài)*/
......
if(stNodeTmp.u8StatChk?==?u8CurStat?)
{
?u8CurStat?=?stNodeTmp.fpAction(pEvnt?);?/*事件處理*/
?set_cur_state(u8CurStat?);?/*狀態(tài)遷移*/
}
else
{
?state_crash(u8CurStat?);?/*非法狀態(tài)處理*/
}
.....

?

對(duì)照程序清單 List5，就會(huì)發(fā)現(xiàn)程序清單 List7 中 struct fsm_node 結(jié)構(gòu)體的改動(dòng)之處。首先， fpAction 所指向函數(shù)的函數(shù)形式變了，動(dòng)作封裝函數(shù) func 的模樣成了這樣的了：

?

INT8U?func(void?*?pEvnt);

?

現(xiàn)在的動(dòng)作封裝函數(shù)?func?是要返回類型為?INT8U?的返回值的，這個(gè)返回值就是狀態(tài)機(jī)要轉(zhuǎn)向的狀態(tài)， 也就是說(shuō)， 壓縮表格驅(qū)動(dòng)法中的狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)不負(fù)責(zé)狀態(tài)機(jī)新狀態(tài)的確定， 而把這項(xiàng)任務(wù)交給了動(dòng)作封裝函數(shù)?func，?func?返回哪個(gè)狀態(tài)， 狀態(tài)機(jī)就轉(zhuǎn)向哪個(gè)狀態(tài)。

新狀態(tài)由原來(lái)的常量變成了現(xiàn)在的變量，自然要靈活許多。上面說(shuō)到現(xiàn)在的動(dòng)作封裝函數(shù)?func?要對(duì)當(dāng)前發(fā)生的所有的事件都要負(fù)責(zé)， 那么?func?怎么會(huì)知道到底是哪個(gè)事件觸發(fā)了它呢？看一下?func?的形參?void * pEvnt?。

在程序清單 List5 中我們提到過(guò)，這個(gè)形參是用來(lái)向動(dòng)作封裝函數(shù)傳遞事件內(nèi)容的，但是從前文的敘述中我們知道， pEvnt 所指向的內(nèi)存包含了事件的所有信息， 包括事件類型和事件內(nèi)容 ， 所以通過(guò)形參 pEvnt ， 動(dòng)作封裝函數(shù) func 照樣可以知道事件的類型。

程序清單 List7 中?struct fsm_node?結(jié)構(gòu)體還有一個(gè)成員?u8StatChk?， 這里面存儲(chǔ)的是狀態(tài)機(jī) 的一個(gè)狀態(tài)，干什么用的呢？

玩 C 語(yǔ)言數(shù)組的人都知道，要嚴(yán)防數(shù)組尋址越界。

要知道，壓縮表格驅(qū)動(dòng)法的驅(qū)動(dòng)表格是一個(gè)以狀態(tài)值為下標(biāo)的一維數(shù)組， 數(shù)組元素里面最重要的部分就是一個(gè)個(gè)動(dòng)作封裝函數(shù)的地址。

函數(shù)地址在單片機(jī)看來(lái)無(wú)非就是一段二進(jìn)制數(shù)據(jù)， 和內(nèi)存中其它的二進(jìn)制數(shù)據(jù)沒(méi)什么兩樣，不管程序往單片機(jī) PC 寄存器里塞什么值，單片機(jī)都沒(méi)意見。假設(shè)程序由于某種意外而改動(dòng)了存儲(chǔ)狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的變量，使變量值變成了一個(gè)非法狀態(tài)。

再發(fā)生事件時(shí)， 程序就會(huì)用這個(gè)非法的狀態(tài)值在驅(qū)動(dòng)表格中尋址， 這時(shí)候就會(huì)發(fā)生內(nèi)存泄露，程序拿泄露內(nèi)存中的未知數(shù)據(jù)當(dāng)函數(shù)地址跳轉(zhuǎn)，不跑飛才怪！

為了防止這種現(xiàn)象的發(fā)生， 壓縮狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體中又添加了成員?u8StatChk?。u8StatChk中存儲(chǔ)的是壓縮狀態(tài)機(jī)節(jié)點(diǎn)在一維驅(qū)動(dòng)表格的位置， 例如某節(jié)點(diǎn)是表格中的第 7 個(gè)元素， 那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)的成員?u8StatChk?值就是 6。

看一下程序清單 List7 中的框架代碼示例， 程序在引用函數(shù)指針?fpAction?之前， 先檢查當(dāng)前狀態(tài)和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)成員?u8CurStat?的值是否一致，一致則認(rèn)為狀態(tài)合法，事件正常響應(yīng)，如果不一致，則認(rèn)為當(dāng)前狀態(tài)非法，轉(zhuǎn)至意外處理，最大限度保證程序運(yùn)行的安全。

當(dāng)然，如果泄露內(nèi)存中的數(shù)據(jù)恰好和?u8CurStat?一致，那么這種方法真的就回天乏力了。

還有一個(gè)方法也可以防止?fàn)顟B(tài)機(jī)跑飛，如果狀態(tài)變量是枚舉，那么框架代碼就可以獲知狀態(tài)值的最大值， 在調(diào)用動(dòng)作封裝函數(shù)之前判斷一下當(dāng)前狀態(tài)值是否在合法的范圍之內(nèi)， 同樣能保證狀態(tài)機(jī)的安全運(yùn)行。

壓縮表格驅(qū)動(dòng)法中動(dòng)作封裝函數(shù)的定義形式我們已經(jīng)知道了，函數(shù)里面到底是什么樣子的呢？程序清單 List8 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的示例。

「程序清單List8：」

?

INT8U?action_S0(void*?pEvnt)
{
?INT8U?u8NxtStat?=?0;
?INT8U?u8EvntTyp?=?get_evnt_typ(pEvnt);
?switch(u8EvntTyp?)
?{
??case?E1:
???action_S0_E1();?/*事件?E1?的動(dòng)作響應(yīng)*/
???u8NxtStat?=?new?state?value;?/*狀態(tài)遷移，不遷移也必須有本行*/
???break;
???......
??case?Em:
???action_S0_Em();?/*事件?Em?的動(dòng)作響應(yīng)*/
???u8NxtStat?=?new?state?value;?/*狀態(tài)遷移，不遷移也必須有本行*/
???break;
??default:
???;?/*不相關(guān)事件處理*/
???break;
?}
?return?u8NxtStat?;?/*返回新狀態(tài)*/
}

?

從程序清單 List8 可以看出， 動(dòng)作封裝函數(shù)其實(shí)就是事件?switch—case?的具體實(shí)現(xiàn)。函數(shù)根據(jù)形參?pEvnt?獲知事件類型， 并根據(jù)事件類型選擇動(dòng)作響應(yīng)， 確定狀態(tài)機(jī)遷移狀態(tài)， 最后將新的狀態(tài)作為執(zhí)行結(jié)果返回給框架代碼。

有了這樣的動(dòng)作封裝函數(shù)，?Extended State Machine?的應(yīng)用就可以完全不受限制了！到此，有關(guān)壓縮表格驅(qū)動(dòng)法的介紹就結(jié)束了。

個(gè)人認(rèn)為壓縮表格驅(qū)動(dòng)法是相當(dāng)優(yōu)秀的，它既有表格驅(qū)動(dòng)法的簡(jiǎn)潔、高效、標(biāo)準(zhǔn)，又有 switch—case 法的直白、靈活、多變，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，相得益彰。

03?函數(shù)指針?lè)?/strong>