单片机状态机编程详解(状态转换图)
不知道大家有没有这样的感觉,就是玩MCU还可以,所有的功能模块都可以驱动,但是如果写一套完整的代码。却无逻辑与框架可言,上来就是开始写!东抄抄西抄抄。
说明编程还处于比较低的水平,那么如何才能提高自己的编程水平呢?学会一种好的编程框架或者一种编程思想,可能会受用终生!比如模块化编程,框架式编程,状态机编程等等,都是一种好的框架。
今天说的就是状态机编程,由于篇幅较长,大家慢慢欣赏。那么状态机是一个这样的东东?状态机(state machine)有5个要素,分别是状态(state)、迁移(transition)、事件(event)、动作(action)、条件(guard)。
什么是状态机?
状态机是一个这样的东东:状态机(state machine)有 5 个要素,分别是状态(state)、迁移(transition)、事件(event)、动作(action)、条件(guard)。
状态 :一个系统在某一时刻所存在的稳定的工作情况,系统在整个工作周期中可能有多个状态。例如一部电动机共有正转、反转、停转这 3 种状态。
一个状态机需要在状态集合中选取一个状态作为初始状态。
迁移 :系统从一个状态转移到另一个状态的过程称作迁移,迁移不是自动发生的 ,需要外界对系统施加影响。停转的电动机自己不会转起来,让它转起来必须上电。
事件 :某一时刻发生的对系统有意义的事情,状态机之所以发生状态迁移,就是因为出现了事件。对电动机来讲,加正电压、加负电压、断电就是事件 。
动作 :在状态机的迁移过程中,状态机会做出一些其它的行为,这些行为就是动作 ,动作是状态机对事件的响应。给停转的电动机加正电压,电动机由停转状态迁移到正转状态,同时会启动电机,这个启动过程可以看做是动作,也就是对上电事件的响应。
条件 :状态机对事件并不是有求必应的,有了事件,状态机还要满足一定的条件才能发生状态迁移 。还是以停转状态的电动机为例,虽然合闸上电了,但是如果供电线路有问题的话,电动机还是不能转起来。
只谈概念太空洞了,上一个小例子:一单片机、一按键、俩 LED 灯(记为L1和L2)、一人, 足矣!
规则描述:
1、L1L2状态转换顺序OFF/OFF--->ON/OFF--->ON/ON--->OFF/ON--->OFF/OFF
2、通过按键控制L1L2的状态,每次状态转换需连续按键5次
3、L1L2的初始状态OFF/OFF
实际上在状态机编程中,正确的顺序应该是先有状态转换图,后有程序,程序应该是根据设计好的状态图写出来的 。不过考虑到有些童鞋会觉得代码要比转换图来得亲切,我就先把程序放在前头了。
这张状态转换图是用UML(统一建模语言)的语法元素画出来的,语法不是很标准,但拿来解释问题足够了。
图2按键控制流水灯状态转换图
程序清单代码需移步 ---戳进-->单片机状态机编程详解
单片机编程中的状态机浅析
说到单片机编程,不得不说到状态机,状态机做为软件编程的主要架构已经在各种语言中应用,当然包括C语言,在一个思路清晰而且高效的程序中,必然有状态机的身影浮现。灵活的应用状态机不仅是程序更高效,而且可读性和扩展性也很好。状态无处不在,状态中有状态,只要掌握了这种思维,让它成为您编程中的一种习惯,相信您会受益匪浅。
状态机可归纳为4个要素,即现态、条件、动作、次态。 这样的归纳,主要是出于对状态机的内在因果联系的考虑。“现态”和“条件”是因,“动作”和“次态”是果。详解如下:
①现态: 是指当前所处的状态。
②条件: 又称为“事件”。当一个条件被满足,将会触发一个动作,或者执行一次状态的迁移。
③动作: 条件满足后执行的动作。动作执行完毕后,可以迁移到新的状态,也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的,当条件满足后,也可以不执行任何动作,直接迁移到新状态。
④次态: 条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的,“次态”一旦被激活,就转变成新的“现态”了。
如果我们进一步归纳,把“现态”和“次态”统一起来,而把“动作”忽略(降格处理),则只剩下两个最关键的要素,即:状态、迁移条件。
状态机的表示要领有许多种,我们可以用文字、图形或表格的形式来表示一个状态机。
举个简单的例子:就按键处理来说,击键动作本身也可以看做一个状态机。一个细小的击键动作包含了:释放、抖动、闭合、抖动和重新释放等状态。 当我们打开思路,把状态机作为一种思想导入到程序中去时,就会找到处理疑问的一条有效的捷径。有时候用状态机的思维去思考程序该干什么,比用控制流程的思维去思考,可能会更有效。这样一来状态机便有了更实际的功用。废话不多说,实践才是检验真理的唯一标准。
也许有人觉得状态机把问题复杂化了,其实做过软件设计的人无形之中已经在用状态机,下面就总结介绍几种状态机。
第一种:switch case结构状态机
switch()。
case1:。
if(not反复执行状态1)。
进入1状态前要做的准备。
进入1状态的过程。
if(not反复执行状态1)。
离开状态1的过程。
case2:。
...。
但这种方式不能很有效预定义所有的状态,也不能把这些状态之间的切换过程合理的定义出来,“状态”本身没有一个合理的定义,几乎是一种面向过程的方式,只过这种方式足够简单,也最容易让人接受,缺点就没有“状态”的定义和指派功能,导致状态的混乱,出现状态处理重复代码,甚至处理不一致的问题,按照OO的观念,状态描述本来就应该是一种实体。
第二种状态机:ifelse语句结构状态机
这种状态机相对灵活一点,但对于一些大的项目,系统软件设计会相对复杂。
以上2种状态机是是大家接触最多的,也是经常用到的,这里不多说了。下面重点谈谈第三种状态机。
第三种状态机:消息触发状态机
该类型的状态机实现方式也是很多的,形态多样,但万变不离其宗的就是状态机的4要素及现态、条件、动作、次态。
下面介绍一种消息触发类型的状态机。
基于消息驱动的状态机机制
原理:一旦有消息触发,系统服务函数立即寻找所在状态的消息与消息处理函数对,找到后执行消息处理函数
步骤:
1.添加消息与消息映射
…
BEGIN_MESSAGE_ MAP(Name,Count) :状态机名,消息数
ADD_NEW_MSG_ITEM (Msg,OnMsg) :消息与消息处理函数
END_MESSAGE_MAP:结束
…
2.在这里注册
BEGIN_Register_Task:头
...
ADD_Register_Task(Name,Count):状态机名,消息数
...
END_Register_Task:尾
1.划分电子秤状态,完成以上步骤后,完成OnMsg消息处理函数
Void OnMsg(void)
{
…
}
说明:以上用宏完成,具体宏是如下定义:
#defineBEGIN_MESSAGE_MAP(Name,Count) constMSG_NODE_TYP MSG_node_Array_##Name[(Count)]={
#define ADD_NEW_MSG_ITEM(Msg,OnMsg) {Msg,OnMsg},
#define END_MESSAGE_MAP };
#define BEGIN_Register_Task const MSG_MAP TaskMap[TotalTask]={
#define ADD_Register_Task(Name,Count) {(MSG_NODE_TYP*)MSG_node_Array_##Name,Count},
#define END_Register_Task };
从以上代码可知:
1. 添加消息与消息映射实际上是定义消息与消息处理函数对的数组,以形成一个表
2. 注册状态机实际上是把所有消息对数组的入口定义成一个数组,以形成一个表
消息是如何被执行的?
分发消息
void Default_DisposeMessage(unsigned char *pMsg)
{
unsigned chari;
unsigned charcount=TaskMap[g_Status].cItemCount;//定位到状态表
for(i=0;i<count;i++)< span="">
{
if(*pMsg==TaskMap[g_Status].pMsgItems.msg)//看能否匹配消息
{
TaskMap[g_Status].pMsgItems.pMsgFunc();//找到就执行消息处理函数
return;
}
}
}
void DispatchMessage(unsigned char*pMsg)
{
if(*pMsg)
{
Default_DisposeMessage(pMsg);
}
}
核心函数:消息处理中心
void Message_Dispose_Central(void)
{
BYTE Msg;
while(GetMessage(&Msg)) //获取消息
{
TranslateMessage(&Msg); //解释消息
DispatchMessage(&Msg); //分发消息
}
}
大家在使用单片机的时候,怎么灵活使用状态机思想的呢,欢迎大家留言评论。
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