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全球热推荐：状态机编程实例-嵌套switch-case法

2023-06-15 09:04:39 码农爱学习

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。

1 状态机实例介绍

1.1 炸弹拆除游戏

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

1.2 状态图

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”

1.3 事件表示

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...}

2 switch-case嵌套法

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。

2.1 状态机处理

使用switch-case法实现状态机，一般需要两层switch结构。

2.1.1 第一层switch处理状态

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;        }    }}

2.1.2 第二层switch处理事件

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;}

2.1.3 两层switch-case状态机完整代码

// 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;      }  }}

2.2 主函数

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。

2.2.1 状态机的运行

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*/    }  }}

2.2.2 事件的触发

**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;}

3 测试

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：

4 总结

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