嵌入式狀態(tài)機(jī)是一種常用的軟件設(shè)計(jì)模式，它能夠提高代碼的可讀性和可維護(hù)性。狀態(tài)機(jī)是一個(gè)抽象的概念，它描述了一個(gè)系統(tǒng)或者組件的不同狀態(tài)以及在不同狀態(tài)下如何響應(yīng)輸入和事件。狀態(tài)機(jī)可以應(yīng)用于各種領(lǐng)域，比如通信協(xié)議、嵌入式系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。

在C語言中，可以使用有限狀態(tài)機(jī)（FSM）實(shí)現(xiàn)嵌入式狀態(tài)機(jī)。有限狀態(tài)機(jī)可以通過一組狀態(tài)和狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換來描述系統(tǒng)或者組件的行為。在嵌入式系統(tǒng)中，通常使用循環(huán)或者中斷處理程序來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)

當(dāng)系統(tǒng)需要執(zhí)行某個(gè)任務(wù)時(shí)，可以根據(jù)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)選擇不同的操作，例如：

• 控制系統(tǒng)狀態(tài)：例如控制器根據(jù)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)選擇執(zhí)行不同的操作，從而控制整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)，例如開關(guān)燈、控制電機(jī)等。
• 系統(tǒng)調(diào)度：例如操作系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)選擇執(zhí)行不同的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的調(diào)度。
• 系統(tǒng)事件處理：例如網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)根據(jù)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)選擇不同的數(shù)據(jù)處理方式，例如處理接收到的數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)等。
• 系統(tǒng)錯(cuò)誤處理：例如系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以根據(jù)狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)選擇不同的錯(cuò)誤處理方式，例如重新啟動(dòng)系統(tǒng)、輸出錯(cuò)誤信息等。

總之，狀態(tài)機(jī)可以幫助我們將系統(tǒng)的復(fù)雜性分解為多個(gè)簡單的狀態(tài)，根據(jù)不同的狀態(tài)選擇執(zhí)行不同的操作，從而更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

主要流程

1. 定義狀態(tài)和事件

   首先需要定義系統(tǒng)可能存在的所有狀態(tài)，通常用枚舉類型來表示。同時(shí)需要定義可能發(fā)生的所有事件，例如輸入的數(shù)據(jù)、定時(shí)器到達(dá)等。

2. 初始化狀態(tài)機(jī)

   在程序啟動(dòng)時(shí)，需要將狀態(tài)機(jī)初始化為特定的狀態(tài)。

3. 定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換和動(dòng)作

   使用switch-case if-else 函數(shù)指針等語句來定義狀態(tài)轉(zhuǎn)換和動(dòng)作。當(dāng)事件發(fā)生時(shí)，判斷當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)不同的事件執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，并將狀態(tài)轉(zhuǎn)換為下一個(gè)狀態(tài)。

4. 事件處理

   當(dāng)有事件發(fā)生時(shí)，將事件作為參數(shù)傳遞給狀態(tài)機(jī)，并調(diào)用狀態(tài)轉(zhuǎn)換和動(dòng)作函數(shù)。

5. 循環(huán)執(zhí)行

   狀態(tài)機(jī)通常作為一個(gè)獨(dú)立的任務(wù)運(yùn)行，并在一個(gè)無限循環(huán)中等待事件的發(fā)生。

舉例

1#include 
 2
 3// 定義狀態(tài)機(jī)的所有可能狀態(tài)
 4enum {
 5    STATE_IDLE,
 6    STATE_RUNNING,
 7    STATE_COMPLETE,
 8    NUM_STATES
 9};
10
11// 定義狀態(tài)機(jī)的事件類型
12enum {
13    EVENT_START,
14    EVENT_STOP,
15    NUM_EVENTS
16};
17
18// 定義狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
19typedef struct {
20    int current_state;
21    void (*process_event)(int event);
22} state_machine_t;
23
24// 定義狀態(tài)機(jī)的處理函數(shù)
25void idle_state(int event) {
26    if (event == EVENT_START) {
27        printf("Idle state: starting...\\n");
28        // 將狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)改為運(yùn)行狀態(tài)
29        state_machine.current_state = STATE_RUNNING;
30    }
31}
32
33void running_state(int event) {
34    if (event == EVENT_STOP) {
35        printf("Running state: stopping...\\n");
36        // 將狀態(tài)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)改為完成狀態(tài)
37        state_machine.current_state = STATE_COMPLETE;
38    }
39}
40
41void complete_state(int event) {
42    printf("Complete state: done.\\n");
43}
44
45// 初始化狀態(tài)機(jī)
46state_machine_t state_machine = {
47    .current_state = STATE_IDLE,
48    .process_event = idle_state
49};
50
51int main() {
52    // 在循環(huán)中讀取事件并將其傳遞給狀態(tài)機(jī)
53    while (1) {
54        int event;
55        scanf("%d", &event);
56        state_machine.process_event(event);
57        if (state_machine.current_state == STATE_COMPLETE) {
58            break;
59        }
60    }
61    return 0;
62}

在上面的例子中，我們定義了三個(gè)狀態(tài)：空閑狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和完成狀態(tài)。我們還定義了兩個(gè)事件：啟動(dòng)事件和停止事件。狀態(tài)機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含當(dāng)前狀態(tài)和處理當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)的指針。我們還定義了三個(gè)處理函數(shù)，分別處理空閑狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)和完成狀態(tài)。在處理函數(shù)中，我們根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)和事件決定下一個(gè)狀態(tài)以及執(zhí)行相應(yīng)的操作。在應(yīng)用程序中，我們初始化狀態(tài)機(jī)，然后在循環(huán)中讀取事件并將其進(jìn)行傳遞。

事例二

1// 定義狀態(tài)枚舉值
 2typedef enum {
 3  STATE_OFF,
 4  STATE_ON
 5} led_state_t;
 6
 7// 定義狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)體
 8typedef struct {
 9  led_state_t state;  // 當(dāng)前狀態(tài)
10  void (*turn_on)();  // 執(zhí)行開啟操作的函數(shù)指針
11  void (*turn_off)(); // 執(zhí)行關(guān)閉操作的函數(shù)指針
12} led_fsm_t;
13
14// 初始化狀態(tài)機(jī)
15void led_fsm_init(led_fsm_t* fsm, void (*turn_on)(), void (*turn_off)()) {
16  fsm->state = STATE_OFF;
17  fsm->turn_on = turn_on;
18  fsm->turn_off = turn_off;
19}
20
21// 狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換
22void led_fsm_transition(led_fsm_t* fsm, bool button_pressed) {
23  switch (fsm->state) {
24    case STATE_OFF:
25      if (button_pressed) {
26        fsm->state = STATE_ON;
27        fsm->turn_on();
28      }
29      break;
30    case STATE_ON:
31      if (button_pressed) {
32        fsm->state = STATE_OFF;
33        fsm->turn_off();
34      }
35      break;
36    default:
37      break;
38  }
39}
40
41// 主函數(shù)
42int main() {
43  // 定義LED狀態(tài)機(jī)
44  led_fsm_t led_fsm;
45  // 初始化狀態(tài)機(jī)
46  led_fsm_init(&led_fsm, turn_on_led, turn_off_led);
47  while (1) {
48    // 讀取輸入
49    bool button_pressed = read_button();
50    // 狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換
51    led_fsm_transition(&led_fsm, button_pressed);
52    // 等待下一次執(zhí)行
53    delay(10);
54  }
55  return 0;
56}

示例3

1/*舉類型state_t，其中包含四個(gè)狀態(tài)：IDLE、WAITING、RUNNING和STOPPED。*/
 2typedef enum {
 3    STATE_IDLE,
 4    STATE_WALKING,
 5    STATE_TURNING_LEFT,
 6    STATE_TURNING_RIGHT,
 7    STATE_STOPPED
 8} robot_state_t;
 9
10void transition_fn(void);
11/*用于存儲(chǔ)當(dāng)前狀態(tài)和狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則*/
12typedef struct {
13    robot_state_t current_state;
14    void (*transition_fn)(void);
15} robot_t;
16
17robot_t robot;
18
19int main(void) {
20    // initialize robot
21    robot.current_state = STATE_IDLE;
22    robot.transition_fn = transition_fn;
23
24    // main loop
25    while (1) {
26        switch (robot.current_state) {
27            case STATE_IDLE:
28                // do nothing
29                break;
30            case STATE_WALKING:
31                // move robot forward
32                break;
33            case STATE_TURNING_LEFT:
34                // turn robot left
35                break;
36            case STATE_TURNING_RIGHT:
37                // turn robot right
38                break;
39            case STATE_STOPPED:
40                // stop robot
41                break;
42        }
43    }
44}
45
46void transition_fn(void) {
47    switch (robot.current_state) {
48        case STATE_IDLE:
49            // transition to STATE_WALKING
50            robot.current_state = STATE_WALKING;
51            break;
52        case STATE_WALKING:
53            // transition to STATE_TURNING_LEFT or STATE_TURNING_RIGHT or STATE_STOPPED
54            if (/* condition for turning left */) {
55                robot.current_state = STATE_TURNING_LEFT;
56            } else if (/* condition for turning right */) {
57                robot.current_state = STATE_TURNING_RIGHT;
58            } else if (/* condition for stopping */) {
59                robot.current_state = STATE_STOPPED;
60            }
61            break;
62        case STATE_TURNING_LEFT:
63            // transition to STATE_WALKING
64            robot.current_state = STATE_WALKING;
65            break;
66        case STATE_TURNING_RIGHT:
67            // transition to STATE_WALKING
68            robot.current_state = STATE_WALKING;
69            break;
70        case STATE_STOPPED:
71            // transition to STATE_IDLE
72            robot.current_state = STATE_IDLE;
73            break;
74    }
75}

當(dāng)然實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的方式并不是惟一的。