嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中，狀態(tài)機(jī)編程是一個(gè)比較實(shí)用的代碼實(shí)現(xiàn)方式，特別適用于事件驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。

(資料圖片)

本篇，以一個(gè)炸彈拆除的小游戲?yàn)槔?，介紹狀態(tài)機(jī)編程的思路。

C/C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)編程的方式有很多，本篇先來(lái)介紹最簡(jiǎn)單最容易理解的switch-case方法。

1 狀態(tài)機(jī)實(shí)例介紹

1.1 炸彈拆除游戲

如下是一個(gè)自制的炸彈拆除小游戲的硬件實(shí)物，由3個(gè)按鍵：

UP鍵：用于游戲開(kāi)始前設(shè)置增加倒計(jì)時(shí)時(shí)間；用于游戲開(kāi)始后，輸入拆除密碼“1”DOWN鍵：用于游戲開(kāi)始前設(shè)置減小倒計(jì)時(shí)時(shí)間；用于游戲開(kāi)始后，輸入拆除密碼“0”ARM鍵：用于從設(shè)置時(shí)間切換到開(kāi)始游戲；用于輸入拆除密碼后，確認(rèn)拆除

還有一個(gè)屏幕，用于顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間，輸入的拆除密碼等

游戲的玩法：

游戲開(kāi)始前，通過(guò)UP或DOWN鍵，設(shè)置炸彈拆除的倒計(jì)時(shí)時(shí)間；也可以不設(shè)置，使用默認(rèn)的時(shí)間按下ARM鍵，進(jìn)入倒計(jì)時(shí)狀態(tài)；此時(shí)再通過(guò)UP或DOWN鍵，UP代表1，DOWN代表0，輸入拆除密碼（正確的密碼在程序中設(shè)定了，不可修改，如默認(rèn)是二進(jìn)制的1101）再按下ARM鍵，確認(rèn)拆除；若密碼正確，則拆除成功；若密碼錯(cuò)誤，可以再次嘗試輸入密碼在倒計(jì)時(shí)狀態(tài)，若倒計(jì)時(shí)到0時(shí)，還沒(méi)有拆除成功，則顯示拆除失敗拆除成功或失敗后，會(huì)再次回到初始狀態(tài)，可重新開(kāi)始玩

1.2 狀態(tài)圖

使用狀態(tài)機(jī)思路進(jìn)行編程，首先要畫(huà)出對(duì)應(yīng)的UML狀態(tài)圖，在畫(huà)圖之前，需要先明確此狀態(tài)機(jī)有哪些****狀態(tài)，以及哪些 事件。

對(duì)于本篇介紹的炸彈拆除小游戲，可以歸納為兩個(gè)狀態(tài)：

設(shè)置狀態(tài)（SETTING_STATE）：游戲開(kāi)始前，通過(guò)UP和DOWN鍵設(shè)置此次游戲的超時(shí)時(shí)間；通過(guò)ARM鍵開(kāi)始游戲倒計(jì)時(shí)狀態(tài) （TIMING_STATE）：游戲開(kāi)始后，通過(guò)UP和DOWN鍵輸入密碼，UP代表1，DOWN代表0；通過(guò)ARM鍵確認(rèn)拆除

對(duì)于事件（或稱(chēng)信號(hào)），有3個(gè)按鍵事件，還有一個(gè)Tick節(jié)拍事件：

UP鍵信號(hào)（UP_SIG）：游戲開(kāi)始前設(shè)置增加倒計(jì)時(shí)時(shí)間；游戲開(kāi)始后，輸入拆除密碼“1”DOWN鍵信號(hào)（DOWN_SIG）：游戲開(kāi)始前設(shè)置減小倒計(jì)時(shí)時(shí)間；游戲開(kāi)始后，輸入拆除密碼“0”ARM鍵信號(hào)（ARM_SIG）：從設(shè)置時(shí)間切換到開(kāi)始游戲；輸入拆除密碼后，確認(rèn)拆除Tick節(jié)拍信號(hào)（TICK_SIG）：用于倒計(jì)時(shí)的時(shí)間遞減

相關(guān)的結(jié)構(gòu)定義如下

// 炸彈狀態(tài)機(jī)的所有狀態(tài)enum BombStates{    SETTING_STATE, // 設(shè)置狀態(tài)    TIMING_STATE   // 倒計(jì)時(shí)狀態(tài)};?// 炸彈狀態(tài)機(jī)的所有信號(hào)(事件)enum BombSignals{    UP_SIG,   // UP鍵信號(hào)    DOWN_SIG, // DOWN鍵信號(hào)    ARM_SIG,  // ARM鍵信號(hào)    TICK_SIG,  // Tick節(jié)拍信號(hào)    SIG_MAX};

為了便于維護(hù)狀態(tài)機(jī)所需要用到一些變量，可以將其定義為一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，如下：

// 超時(shí)的初始值#define INIT_TIMEOUT 10?// 炸彈狀態(tài)機(jī)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)typedef struct Bomb1Tag{    uint8_t state;   // 標(biāo)量狀態(tài)變量    uint8_t timeout; // 爆炸前的秒數(shù)    uint8_t code;    // 當(dāng)前輸入的解除炸彈的密碼    uint8_t defuse;  // 解除炸彈的拆除密碼    uint8_t errcnt;  // 當(dāng)前拆除失敗的次數(shù)} Bomb1;

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義好之后，可以設(shè)計(jì)UML狀態(tài)圖了，關(guān)于UML狀態(tài)圖的畫(huà)法與介紹，可參考之前的文章：https://www.elecfans.com/d/2076524.html，這里使用visio畫(huà)圖。

分析這個(gè)狀態(tài)圖：

初始默認(rèn)進(jìn)行“設(shè)置狀態(tài)”進(jìn)入“設(shè)置狀態(tài)”后，會(huì)先執(zhí)行****entry的初始化處理：設(shè)置默認(rèn)的超時(shí)時(shí)間，用戶(hù)的輸入錯(cuò)誤次數(shù)清零處于“設(shè)置狀態(tài)”時(shí)：通過(guò)****UP和DOWN鍵設(shè)置此次游戲的超時(shí)時(shí)間，并在屏幕上顯示設(shè)置的時(shí)間，這里有最大最小時(shí)間的限制（1~60s）通過(guò)****ARM鍵開(kāi)始游戲，并清除用戶(hù)的拆除密碼處于“倒計(jì)時(shí)狀態(tài)”時(shí)：通過(guò)****UP和DOWN鍵輸入密碼，UP代表1，DOWN代表0，并在屏幕上顯示輸入的密碼通過(guò)****ARM鍵確認(rèn)拆除，若密碼正常，屏幕顯示拆除成功，并進(jìn)入到“設(shè)置狀態(tài)”；若密碼不正確，則清除輸入的密碼，并顯示已失敗的次數(shù)Tick節(jié)拍事件（每1/10s一次，即100ms）到來(lái)，當(dāng)精細(xì)的時(shí)間（fine_time）為0時(shí)，說(shuō)明過(guò)去了1s，則倒計(jì)時(shí)時(shí)間減1，屏幕顯示當(dāng)時(shí)的倒計(jì)時(shí)時(shí)間；若倒計(jì)時(shí)為0，則顯示拆除失敗，并進(jìn)入到“設(shè)置狀態(tài)”

1.3 事件表示

對(duì)于上述的狀態(tài)機(jī)事件，可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是按鍵事件：UP、DOWN和ARM，一類(lèi)是Tick。對(duì)于第一類(lèi)事件，指需要單一的事件變量即可區(qū)分，對(duì)于第二類(lèi)的Tick，由于引入了1/10s的精細(xì)時(shí)間，所以這個(gè)時(shí)間還需要一個(gè)額外的****事件參數(shù)表示此次Tick事件的精細(xì)時(shí)間（fine_time）。

這里再介紹一個(gè)編程技巧，通過(guò)結(jié)構(gòu)體的繼承關(guān)系（實(shí)際就是嵌套），實(shí)現(xiàn)對(duì)事件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如下圖：

**子圖(a)**表示TickEvt與Event是繼承關(guān)系，這是UML類(lèi)圖的畫(huà)法，關(guān)于UML類(lèi)圖的介紹可參考之前的文章:https://www.elecfans.com/d/2072902.html。

**子圖(b)**是這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體的定義，可以看到TickEvt結(jié)構(gòu)體內(nèi)部的第1個(gè)成員，就是Event結(jié)構(gòu)體，第2個(gè)成員，用于表示Tick事件的事件參數(shù)。

**子圖(c)**是TickEvt數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在內(nèi)存中的存儲(chǔ)示意，先存儲(chǔ)的是基類(lèi)結(jié)構(gòu)體的super實(shí)例，也就是Event這個(gè)結(jié)構(gòu)體，然后存儲(chǔ)的是子類(lèi)結(jié)構(gòu)的自定義成員，也就是Tick事件的事件參數(shù)fine_time。

這兩個(gè)結(jié)構(gòu)體的定義如下：

typedef struct EventTag{    uint16_t sig; // 事件的信號(hào)} Event;?typedef struct TickEvtTag{    Event super;       // 派生自Event結(jié)構(gòu)    uint8_t fine_time; // 精細(xì)的1/10秒計(jì)數(shù)器} TickEvt;

**這樣定義的好處是，對(duì)于狀態(tài)機(jī)事件調(diào)度函數(shù)Bomb1_dispatch的參數(shù)形式，可以統(tǒng)一使用（Event *）類(lèi)型，將TickEvt類(lèi)型傳入時(shí)，可以取其地址，再轉(zhuǎn)為（Event *）類(lèi)型，如下面實(shí)例代碼中l(wèi)oop函數(shù)中的使用；而在Bomb1_dispatch函數(shù)內(nèi)部需要處理TICK_SIG事件時(shí)，又可以再將（Event ）類(lèi)型強(qiáng)制轉(zhuǎn)為（TickEvt ）類(lèi)型，如下面實(shí)例代碼中Bomb1_dispatch函數(shù)中的使用。

//狀態(tài)機(jī)事件調(diào)度void Bomb1_dispatch(Bomb1 *me, Event const *e){    //省略...    case TICK_SIG: //Tick信號(hào)    {        if (((TickEvt const *)e)- >fine_time == 0)        {            --me- >timeout;            bsp_display_remain_time(me- >timeout); //顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間            if (me- >timeout == 0)            {                bsp_display_bomb(); //顯示爆炸效果                Bomb1_init(me);            }        }        break;    }    //省略...}?//狀態(tài)機(jī)循環(huán)void loop(void){  static TickEvt tick_evt = {TICK_SIG, 0};  delay(100); /*狀態(tài)機(jī)以100ms的循環(huán)運(yùn)行*/?  if (++tick_evt.fine_time == 10)  {    tick_evt.fine_time = 0;  }?  Bomb1_dispatch(&l_bomb, (Event *)&tick_evt); /*調(diào)度處理tick事件*/  //省略...}

2 switch-case嵌套法

狀態(tài)圖設(shè)計(jì)好之后，就可以對(duì)照著狀態(tài)圖，進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)了。

本篇先使用最簡(jiǎn)單最容易理解的switch-case方法，來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)編程。

2.1 狀態(tài)機(jī)處理

使用switch-case法實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，一般需要兩層switch結(jié)構(gòu)。

2.1.1 第一層switch處理狀態(tài)

void Bomb1_dispatch(Bomb1 *me, Event const *e){    //第一層switch處理狀態(tài)    switch (me- >state)    {        //設(shè)置狀態(tài)        case SETTING_STATE:        {            //...            break;        }        //倒計(jì)時(shí)狀態(tài)        case TIMING_STATE:        {//...            break;        }    }}

2.1.2 第二層switch處理事件

這里以狀態(tài)機(jī)處于“設(shè)置狀態(tài)”時(shí)，對(duì)事件(信號(hào))的處理為例

//設(shè)置狀態(tài)case SETTING_STATE:{    //第二層switch處理事件(信號(hào))    switch (e- >sig)    {        //UP按鍵信號(hào)        case UP_SIG:        {            //...            break;        }        //DOWN按鍵信號(hào)        case DOWN_SIG:        {            //...            break;        }        //ARM按鍵信號(hào)        case ARM_SIG:        {            //...            break;        }    }    break;}

2.1.3 兩層switch-case狀態(tài)機(jī)完整代碼

// 用于進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的宏#define TRAN(target_) (me- >state = (uint8_t)(target_))?//狀態(tài)機(jī)事件調(diào)度void Bomb1_dispatch(Bomb1 *me, Event const *e){  //第一層switch處理狀態(tài)  switch (me- >state)  {    //設(shè)置狀態(tài)    case SETTING_STATE:      {        //第二層switch處理事件(信號(hào))        switch (e- >sig)        {          //UP按鍵信號(hào)          case UP_SIG:            {              if (me- >timeout < 60)              {                ++me- >timeout; //設(shè)置超時(shí)時(shí)間+1                bsp_display_set_time(me- >timeout); //顯示設(shè)置的超時(shí)時(shí)間              }              break;            }          //DOWN按鍵信號(hào)          case DOWN_SIG:            {              if (me- >timeout > 1)              {                --me- >timeout; //設(shè)置超時(shí)時(shí)間-1                bsp_display_set_time(me- >timeout); //顯示設(shè)置的超時(shí)時(shí)間              }              break;            }          //ARM按鍵信號(hào)          case ARM_SIG:            {              me- >code = 0;              TRAN(TIMING_STATE); //轉(zhuǎn)換到倒計(jì)時(shí)狀態(tài)              break;            }        }        break;      }    //倒計(jì)時(shí)狀態(tài)    case TIMING_STATE:      {        switch (e- >sig)        {          case UP_SIG: //UP按鍵信號(hào)            {              me- >code < <= 1;              me- >code |= 1; //添加一個(gè)1              bsp_display_user_code(me- >code);              break;            }          case DOWN_SIG: //DWON按鍵信號(hào)            {              me- >code < <= 1; //添加一個(gè)0              bsp_display_user_code(me- >code);              break;            }          case ARM_SIG: //ARM按鍵信號(hào)            {              if (me- >code == me- >defuse)              {                TRAN(SETTING_STATE); //轉(zhuǎn)換到設(shè)置狀態(tài)                bsp_display_user_success(); //炸彈拆除成功                Bomb1_init(me);              }              else              {                me- >code = 0;                bsp_display_user_code(me- >code);                bsp_display_user_err(++me- >errcnt);              }              break;            }          case TICK_SIG: //Tick信號(hào)            {              if (((TickEvt const *)e)- >fine_time == 0)              {                --me- >timeout;                bsp_display_remain_time(me- >timeout); //顯示倒計(jì)時(shí)時(shí)間                if (me- >timeout == 0)                {                  bsp_display_bomb(); //顯示爆炸效果                  Bomb1_init(me);                }              }              break;            }        }        break;      }  }}

2.2 主函數(shù)

兩層switch-case狀態(tài)機(jī)邏輯編寫(xiě)好之后，還需要將狀態(tài)機(jī)運(yùn)行起來(lái)。

運(yùn)行狀態(tài)機(jī)的本質(zhì)，就是周期性的調(diào)用狀態(tài)機(jī)（上面實(shí)現(xiàn)的兩層switch-case），當(dāng)有事件觸發(fā)時(shí)，設(shè)置對(duì)應(yīng)的事件，狀態(tài)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，即可處理對(duì)應(yīng)的事件，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的切換，或是其它的邏輯處理。

2.2.1 狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行

狀態(tài)機(jī)運(yùn)行的整體邏輯如下：

void loop(void){  static TickEvt tick_evt = {TICK_SIG, 0};  delay(100); /*狀態(tài)機(jī)以100ms的循環(huán)運(yùn)行*/?  if (++tick_evt.fine_time == 10)  {    tick_evt.fine_time = 0;  }?  char tmp_buffer[256];  sprintf(tmp_buffer, "T(%1d)%c", tick_evt.fine_time, (tick_evt.fine_time == 0) ? "\\n" : " ");  Serial.print(tmp_buffer);?  Bomb1_dispatch(&l_bomb, (Event *)&tick_evt); /*調(diào)度處理tick事件*/?  BombSignals userSignal = bsp_key_check_signal();  if (userSignal != SIG_MAX)  {    static Event const up_evt = {UP_SIG};    static Event const down_evt = {DOWN_SIG};    static Event const arm_evt = {ARM_SIG};    Event const *e = (Event *)0;?    switch (userSignal)    {      //監(jiān)測(cè)按鍵是否按下, 按下則設(shè)置對(duì)應(yīng)的事件e    }?    if (e != (Event *)0) /*有指定的按鍵按下*/    {      Bomb1_dispatch(&l_bomb, e);  /*調(diào)度處理按鍵事件*/    }  }}

2.2.2 事件的觸發(fā)

**在狀態(tài)機(jī)的每個(gè)狀態(tài)循環(huán)執(zhí)行前，都檢測(cè)一下是否有事件觸發(fā)，本例中就是UP、DOWN和ARM的按鍵事件，另外Tick事件是周期性的觸發(fā)的。UP、DOWN和ARM的按鍵事件的觸發(fā)檢測(cè)代碼如下，檢測(cè)到對(duì)應(yīng)的按鍵事件后，則設(shè)置對(duì)應(yīng)的事件給狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)機(jī)即可在下次狀態(tài)循環(huán)中進(jìn)行處理。 **

switch (userSignal){    case UP_SIG: //UP鍵事件        {            Serial.print("\\nUP  : ");            e = &up_evt;            break;        }    case DOWN_SIG: //DOWN鍵事件        {            Serial.print("\\nDOWN: ");            e = &down_evt;            break;        }    case ARM_SIG: //ARM鍵事件        {            Serial.print("\\nARM : ");            e = &arm_evt;            break;        }    default:break;}

3 測(cè)試

本例程，使用Arduino作為控制器進(jìn)行測(cè)試，外接3個(gè)獨(dú)立按鍵和一個(gè)IIC接口的OLED顯示屏。

演示視頻：

4 總結(jié)

本篇以一個(gè)炸彈拆除的小游戲?yàn)槔?，介紹了嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中，狀態(tài)機(jī)編程的思路：

分析系統(tǒng)需要哪幾種狀態(tài)，哪幾種事件定義這些狀態(tài)、事件，以及狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使用UML建模，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)圖根據(jù)狀態(tài)圖，使用C/C++語(yǔ)言，編程實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能結(jié)合硬件進(jìn)行調(diào)試，分析

另外，本篇中，還需要體會(huì)的是，對(duì)事件的表示，通過(guò)結(jié)構(gòu)體繼承（嵌套）的方式，實(shí)現(xiàn)一個(gè)額外的件參數(shù)這種用法。審核編輯：湯梓紅