嵌入式软件开发中,状态机编程是一个比较实用的代码实现方式,特别适用于事件驱动的系统。
【资料图】
本篇,以一个炸弹拆除的小游戏为例,介绍状态机编程的思路。
C/C++语言实现状态机编程的方式有很多,本篇先来介绍最简单最容易理解的switch-case方法。
如下是一个自制的炸弹拆除小游戏的硬件实物,由3个按键:
UP键:用于游戏开始前设置增加倒计时时间;用于游戏开始后,输入拆除密码“1”DOWN键:用于游戏开始前设置减小倒计时时间;用于游戏开始后,输入拆除密码“0”ARM键:用于从设置时间切换到开始游戏;用于输入拆除密码后,确认拆除还有一个屏幕,用于显示倒计时时间,输入的拆除密码等
游戏的玩法:
游戏开始前,通过UP或DOWN键,设置炸弹拆除的倒计时时间;也可以不设置,使用默认的时间按下ARM键,进入倒计时状态;此时再通过UP或DOWN键,UP代表1,DOWN代表0,输入拆除密码(正确的密码在程序中设定了,不可修改,如默认是二进制的1101)再按下ARM键,确认拆除;若密码正确,则拆除成功;若密码错误,可以再次尝试输入密码在倒计时状态,若倒计时到0时,还没有拆除成功,则显示拆除失败拆除成功或失败后,会再次回到初始状态,可重新开始玩使用状态机思路进行编程,首先要画出对应的UML状态图,在画图之前,需要先明确此状态机有哪些****状态,以及哪些 事件。
对于本篇介绍的炸弹拆除小游戏,可以归纳为两个状态:
设置状态(SETTING_STATE):游戏开始前,通过UP和DOWN键设置此次游戏的超时时间;通过ARM键开始游戏倒计时状态 (TIMING_STATE):游戏开始后,通过UP和DOWN键输入密码,UP代表1,DOWN代表0;通过ARM键确认拆除对于事件(或称信号),有3个按键事件,还有一个Tick节拍事件:
UP键信号(UP_SIG):游戏开始前设置增加倒计时时间;游戏开始后,输入拆除密码“1”DOWN键信号(DOWN_SIG):游戏开始前设置减小倒计时时间;游戏开始后,输入拆除密码“0”ARM键信号(ARM_SIG):从设置时间切换到开始游戏;输入拆除密码后,确认拆除Tick节拍信号(TICK_SIG):用于倒计时的时间递减相关的结构定义如下
// 炸弹状态机的所有状态enum BombStates{ SETTING_STATE, // 设置状态 TIMING_STATE // 倒计时状态};// 炸弹状态机的所有信号(事件)enum BombSignals{ UP_SIG, // UP键信号 DOWN_SIG, // DOWN键信号 ARM_SIG, // ARM键信号 TICK_SIG, // Tick节拍信号 SIG_MAX};
为了便于维护状态机所需要用到一些变量,可以将其定义为一个数据结构体,如下:
// 超时的初始值#define INIT_TIMEOUT 10// 炸弹状态机数据结构typedef struct Bomb1Tag{ uint8_t state; // 标量状态变量 uint8_t timeout; // 爆炸前的秒数 uint8_t code; // 当前输入的解除炸弹的密码 uint8_t defuse; // 解除炸弹的拆除密码 uint8_t errcnt; // 当前拆除失败的次数} Bomb1;
数据结构定义好之后,可以设计UML状态图了,关于UML状态图的画法与介绍,可参考之前的文章:https://www.elecfans.com/d/2076524.html,这里使用visio画图。
分析这个状态图:
初始默认进行“设置状态”进入“设置状态”后,会先执行****entry的初始化处理:设置默认的超时时间,用户的输入错误次数清零处于“设置状态”时:通过****UP和DOWN键设置此次游戏的超时时间,并在屏幕上显示设置的时间,这里有最大最小时间的限制(1~60s)通过****ARM键开始游戏,并清除用户的拆除密码处于“倒计时状态”时:通过****UP和DOWN键输入密码,UP代表1,DOWN代表0,并在屏幕上显示输入的密码通过****ARM键确认拆除,若密码正常,屏幕显示拆除成功,并进入到“设置状态”;若密码不正确,则清除输入的密码,并显示已失败的次数Tick节拍事件(每1/10s一次,即100ms)到来,当精细的时间(fine_time)为0时,说明过去了1s,则倒计时时间减1,屏幕显示当时的倒计时时间;若倒计时为0,则显示拆除失败,并进入到“设置状态”对于上述的状态机事件,可以分为两类,一类是按键事件:UP、DOWN和ARM,一类是Tick。对于第一类事件,指需要单一的事件变量即可区分,对于第二类的Tick,由于引入了1/10s的精细时间,所以这个时间还需要一个额外的****事件参数表示此次Tick事件的精细时间(fine_time)。
这里再介绍一个编程技巧,通过结构体的继承关系(实际就是嵌套),实现对事件数据结构的设计,如下图:
**子图(a)**表示TickEvt与Event是继承关系,这是UML类图的画法,关于UML类图的介绍可参考之前的文章:https://www.elecfans.com/d/2072902.html。
**子图(b)**是这两个结构体的定义,可以看到TickEvt结构体内部的第1个成员,就是Event结构体,第2个成员,用于表示Tick事件的事件参数。
**子图(c)**是TickEvt数据结构在内存中的存储示意,先存储的是基类结构体的super实例,也就是Event这个结构体,然后存储的是子类结构的自定义成员,也就是Tick事件的事件参数fine_time。
这两个结构体的定义如下:
typedef struct EventTag{ uint16_t sig; // 事件的信号} Event;typedef struct TickEvtTag{ Event super; // 派生自Event结构 uint8_t fine_time; // 精细的1/10秒计数器} TickEvt;
**这样定义的好处是,对于状态机事件调度函数Bomb1_dispatch的参数形式,可以统一使用(Event *)类型,将TickEvt类型传入时,可以取其地址,再转为(Event *)类型,如下面实例代码中loop函数中的使用;而在Bomb1_dispatch函数内部需要处理TICK_SIG事件时,又可以再将(Event )类型强制转为(TickEvt )类型,如下面实例代码中Bomb1_dispatch函数中的使用。
//状态机事件调度void Bomb1_dispatch(Bomb1 *me, Event const *e){ //省略... case TICK_SIG: //Tick信号 { if (((TickEvt const *)e)- >fine_time == 0) { --me- >timeout; bsp_display_remain_time(me- >timeout); //显示倒计时时间 if (me- >timeout == 0) { bsp_display_bomb(); //显示爆炸效果 Bomb1_init(me); } } break; } //省略...}//状态机循环void loop(void){ static TickEvt tick_evt = {TICK_SIG, 0}; delay(100); /*状态机以100ms的循环运行*/ if (++tick_evt.fine_time == 10) { tick_evt.fine_time = 0; } Bomb1_dispatch(&l_bomb, (Event *)&tick_evt); /*调度处理tick事件*/ //省略...}
状态图设计好之后,就可以对照着状态图,进行编程实现了。
本篇先使用最简单最容易理解的switch-case方法,来实现状态机编程。
使用switch-case法实现状态机,一般需要两层switch结构。
void Bomb1_dispatch(Bomb1 *me, Event const *e){ //第一层switch处理状态 switch (me- >state) { //设置状态 case SETTING_STATE: { //... break; } //倒计时状态 case TIMING_STATE: {//... break; } }}
这里以状态机处于“设置状态”时,对事件(信号)的处理为例
//设置状态case SETTING_STATE:{ //第二层switch处理事件(信号) switch (e- >sig) { //UP按键信号 case UP_SIG: { //... break; } //DOWN按键信号 case DOWN_SIG: { //... break; } //ARM按键信号 case ARM_SIG: { //... break; } } break;}
// 用于进行状态转换的宏#define TRAN(target_) (me- >state = (uint8_t)(target_))//状态机事件调度void Bomb1_dispatch(Bomb1 *me, Event const *e){ //第一层switch处理状态 switch (me- >state) { //设置状态 case SETTING_STATE: { //第二层switch处理事件(信号) switch (e- >sig) { //UP按键信号 case UP_SIG: { if (me- >timeout < 60) { ++me- >timeout; //设置超时时间+1 bsp_display_set_time(me- >timeout); //显示设置的超时时间 } break; } //DOWN按键信号 case DOWN_SIG: { if (me- >timeout > 1) { --me- >timeout; //设置超时时间-1 bsp_display_set_time(me- >timeout); //显示设置的超时时间 } break; } //ARM按键信号 case ARM_SIG: { me- >code = 0; TRAN(TIMING_STATE); //转换到倒计时状态 break; } } break; } //倒计时状态 case TIMING_STATE: { switch (e- >sig) { case UP_SIG: //UP按键信号 { me- >code < <= 1; me- >code |= 1; //添加一个1 bsp_display_user_code(me- >code); break; } case DOWN_SIG: //DWON按键信号 { me- >code < <= 1; //添加一个0 bsp_display_user_code(me- >code); break; } case ARM_SIG: //ARM按键信号 { if (me- >code == me- >defuse) { TRAN(SETTING_STATE); //转换到设置状态 bsp_display_user_success(); //炸弹拆除成功 Bomb1_init(me); } else { me- >code = 0; bsp_display_user_code(me- >code); bsp_display_user_err(++me- >errcnt); } break; } case TICK_SIG: //Tick信号 { if (((TickEvt const *)e)- >fine_time == 0) { --me- >timeout; bsp_display_remain_time(me- >timeout); //显示倒计时时间 if (me- >timeout == 0) { bsp_display_bomb(); //显示爆炸效果 Bomb1_init(me); } } break; } } break; } }}
两层switch-case状态机逻辑编写好之后,还需要将状态机运行起来。
运行状态机的本质,就是周期性的调用状态机(上面实现的两层switch-case),当有事件触发时,设置对应的事件,状态机在运行时,即可处理对应的事件,从而实现状态的切换,或是其它的逻辑处理。
状态机运行的整体逻辑如下:
void loop(void){ static TickEvt tick_evt = {TICK_SIG, 0}; delay(100); /*状态机以100ms的循环运行*/ 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); /*调度处理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) { //监测按键是否按下, 按下则设置对应的事件e } if (e != (Event *)0) /*有指定的按键按下*/ { Bomb1_dispatch(&l_bomb, e); /*调度处理按键事件*/ } }}
**在状态机的每个状态循环执行前,都检测一下是否有事件触发,本例中就是UP、DOWN和ARM的按键事件,另外Tick事件是周期性的触发的。UP、DOWN和ARM的按键事件的触发检测代码如下,检测到对应的按键事件后,则设置对应的事件给状态机,状态机即可在下次状态循环中进行处理。 **
switch (userSignal){ case UP_SIG: //UP键事件 { Serial.print("\\nUP : "); e = &up_evt; break; } case DOWN_SIG: //DOWN键事件 { Serial.print("\\nDOWN: "); e = &down_evt; break; } case ARM_SIG: //ARM键事件 { Serial.print("\\nARM : "); e = &arm_evt; break; } default:break;}
本例程,使用Arduino作为控制器进行测试,外接3个独立按键和一个IIC接口的OLED显示屏。
演示视频:
本篇以一个炸弹拆除的小游戏为例,介绍了嵌入式软件开发中,状态机编程的思路:
分析系统需要哪几种状态,哪几种事件定义这些状态、事件,以及状态机的数据结构使用UML建模,设计对应的状态图根据状态图,使用C/C++语言,编程实现对应的功能结合硬件进行调试,分析另外,本篇中,还需要体会的是,对事件的表示,通过结构体继承(嵌套)的方式,实现一个额外的件参数这种用法。审核编辑:汤梓红
标签:
X 关闭
X 关闭