嵌入式軟件開發中，狀態機編程是一個比較實用的代碼實現方式，特別適用于事件驅動的系統。
(資料圖片)
本篇，以一個炸彈拆除的小游戲為例，介紹狀態機編程的思路。
C/C++語言實現狀態機編程的方式有很多，本篇先來介紹最簡單最容易理解的switch-case方法。
1 狀態機實例介紹
1.1 炸彈拆除游戲
如下是一個自制的炸彈拆除小游戲的硬件實物，由3個按鍵：
UP鍵：用于游戲開始前設置增加倒計時時間；用于游戲開始后，輸入拆除密碼“1”DOWN鍵：用于游戲開始前設置減小倒計時時間；用于游戲開始后，輸入拆除密碼“0”ARM鍵：用于從設置時間切換到開始游戲；用于輸入拆除密碼后，確認拆除還有一個屏幕，用于顯示倒計時時間，輸入的拆除密碼等
游戲的玩法：
游戲開始前，通過UP或DOWN鍵，設置炸彈拆除的倒計時時間；也可以不設置，使用默認的時間按下ARM鍵，進入倒計時狀態；此時再通過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定了，不可修改，如默認是二進制的1101）再按下ARM鍵，確認拆除；若密碼正確，則拆除成功；若密碼錯誤，可以再次嘗試輸入密碼在倒計時狀態，若倒計時到0時，還沒有拆除成功，則顯示拆除失敗拆除成功或失敗后，會再次回到初始狀態，可重新開始玩1.2 狀態圖
使用狀態機思路進行編程，首先要畫出對應的UML狀態圖，在畫圖之前，需要先明確此狀態機有哪些****狀態，以及哪些 事件。
對于本篇介紹的炸彈拆除小游戲，可以歸納為兩個狀態：
設置狀態（SETTING_STATE）：游戲開始前，通過UP和DOWN鍵設置此次游戲的超時時間；通過ARM鍵開始游戲倒計時狀態 （TIMING_STATE）：游戲開始后，通過UP和DOWN鍵輸入密碼，UP代表1，DOWN代表0；通過ARM鍵確認拆除對于事件（或稱信號），有3個按鍵事件，還有一個Tick節拍事件：
UP鍵信號（UP_SIG）：游戲開始前設置增加倒計時時間；游戲開始后，輸入拆除密碼“1”DOWN鍵信號（DOWN_SIG）：游戲開始前設置減小倒計時時間；游戲開始后，輸入拆除密碼“0”ARM鍵信號（ARM_SIG）：從設置時間切換到開始游戲；輸入拆除密碼后，確認拆除Tick節拍信號（TICK_SIG）：用于倒計時的時間遞減相關的結構定義如下
// 炸彈狀態機的所有狀態enum BombStates{ SETTING_STATE, // 設置狀態 TIMING_STATE // 倒計時狀態};?// 炸彈狀態機的所有信號(事件)enum BombSignals{ UP_SIG, // UP鍵信號 DOWN_SIG, // DOWN鍵信號 ARM_SIG, // ARM鍵信號 TICK_SIG, // Tick節拍信號 SIG_MAX};為了便于維護狀態機所需要用到一些變量，可以將其定義為一個數據結構體，如下：
// 超時的初始值#define INIT_TIMEOUT 10?// 炸彈狀態機數據結構typedef struct Bomb1Tag{ uint8_t state; // 標量狀態變量 uint8_t timeout; // 爆炸前的秒數 uint8_t code; // 當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; // 當前拆除失敗的次數} Bomb1;數據結構定義好之后，可以設計UML狀態圖了，關于UML狀態圖的畫法與介紹，可參考之前的文章：https://www.elecfans.com/d/2076524.html，這里使用visio畫圖。
分析這個狀態圖：
初始默認進行“設置狀態”進入“設置狀態”后，會先執行****entry的初始化處理：設置默認的超時時間，用戶的輸入錯誤次數清零處于“設置狀態”時：通過****UP和DOWN鍵設置此次游戲的超時時間，并在屏幕上顯示設置的時間，這里有最大最小時間的限制（1~60s）通過****ARM鍵開始游戲，并清除用戶的拆除密碼處于“倒計時狀態”時：通過****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****ARM鍵確認拆除，若密碼正常，屏幕顯示拆除成功，并進入到“設置狀態”；若密碼不正確，則清除輸入的密碼，并顯示已失敗的次數Tick節拍事件（每1/10s一次，即100ms）到來，當精細的時間（fine_time）為0時，說明過去了1s，則倒計時時間減1，屏幕顯示當時的倒計時時間；若倒計時為0，則顯示拆除失敗，并進入到“設置狀態”1.3 事件表示
對于上述的狀態機事件，可以分為兩類，一類是按鍵事件：UP、DOWN和ARM，一類是Tick。對于第一類事件，指需要單一的事件變量即可區分，對于第二類的Tick，由于引入了1/10s的精細時間，所以這個時間還需要一個額外的****事件參數表示此次Tick事件的精細時間（fine_time）。
這里再介紹一個編程技巧，通過結構體的繼承關系（實際就是嵌套），實現對事件數據結構的設計，如下圖：
**子圖(a)**表示TickEvt與Event是繼承關系，這是UML類圖的畫法，關于UML類圖的介紹可參考之前的文章:https://www.elecfans.com/d/2072902.html。
**子圖(b)**是這兩個結構體的定義，可以看到TickEvt結構體內部的第1個成員，就是Event結構體，第2個成員，用于表示Tick事件的事件參數。
**子圖(c)**是TickEvt數據結構在內存中的存儲示意，先存儲的是基類結構體的super實例，也就是Event這個結構體，然后存儲的是子類結構的自定義成員，也就是Tick事件的事件參數fine_time。
這兩個結構體的定義如下：
typedef struct EventTag{ uint16_t sig; // 事件的信號} Event;?typedef struct TickEvtTag{ Event super; // 派生自Event結構 uint8_t fine_time; // 精細的1/10秒計數器} TickEvt;**這樣定義的好處是，對于狀態機事件調度函數Bomb1_dispatch的參數形式，可以統一使用（Event *）類型，將TickEvt類型傳入時，可以取其地址，再轉為（Event *）類型，如下面實例代碼中loop函數中的使用；而在Bomb1_dispatch函數內部需要處理TICK_SIG事件時，又可以再將（Event ）類型強制轉為（TickEvt ）類型，如下面實例代碼中Bomb1_dispatch函數中的使用。
//狀態機事件調度void Bomb1_dispatch(Bomb1 *me, Event const *e){ //省略... case TICK_SIG: //Tick信號 { if (((TickEvt const *)e)- >fine_time == 0) { --me- >timeout; bsp_display_remain_time(me- >timeout); //顯示倒計時時間 if (me- >timeout == 0) { bsp_display_bomb(); //顯示爆炸效果 Bomb1_init(me); } } break; } //省略...}?//狀態機循環void loop(void){ static TickEvt tick_evt = {TICK_SIG, 0}; delay(100); /*狀態機以100ms的循環運行*/? if (++tick_evt.fine_time == 10) { tick_evt.fine_time = 0; }? Bomb1_dispatch(&l_bomb, (Event *)&tick_evt); /*調度處理tick事件*/ //省略...}2 switch-case嵌套法
狀態圖設計好之后，就可以對照著狀態圖，進行編程實現了。
本篇先使用最簡單最容易理解的switch-case方法，來實現狀態機編程。
2.1 狀態機處理
使用switch-case法實現狀態機，一般需要兩層switch結構。
2.1.1 第一層switch處理狀態
void Bomb1_dispatch(Bomb1 *me, Event const *e){ //第一層switch處理狀態 switch (me- >state) { //設置狀態 case SETTING_STATE: { //... break; } //倒計時狀態 case TIMING_STATE: {//... break; } }}2.1.2 第二層switch處理事件
這里以狀態機處于“設置狀態”時，對事件(信號)的處理為例
//設置狀態case SETTING_STATE:{ //第二層switch處理事件(信號) switch (e- >sig) { //UP按鍵信號 case UP_SIG: { //... break; } //DOWN按鍵信號 case DOWN_SIG: { //... break; } //ARM按鍵信號 case ARM_SIG: { //... break; } } break;}2.1.3 兩層switch-case狀態機完整代碼
// 用于進行狀態轉換的宏#define TRAN(target_) (me- >state = (uint8_t)(target_))?//狀態機事件調度void Bomb1_dispatch(Bomb1 *me, Event const *e){ //第一層switch處理狀態 switch (me- >state) { //設置狀態 case SETTING_STATE: { //第二層switch處理事件(信號) switch (e- >sig) { //UP按鍵信號 case UP_SIG: { if (me- >timeout < 60) { ++me- >timeout; //設置超時時間+1 bsp_display_set_time(me- >timeout); //顯示設置的超時時間 } break; } //DOWN按鍵信號 case DOWN_SIG: { if (me- >timeout > 1) { --me- >timeout; //設置超時時間-1 bsp_display_set_time(me- >timeout); //顯示設置的超時時間 } break; } //ARM按鍵信號 case ARM_SIG: { me- >code = 0; TRAN(TIMING_STATE); //轉換到倒計時狀態 break; } } break; } //倒計時狀態 case TIMING_STATE: { switch (e- >sig) { case UP_SIG: //UP按鍵信號 { me- >code < <= 1; me- >code |= 1; //添加一個1 bsp_display_user_code(me- >code); break; } case DOWN_SIG: //DWON按鍵信號 { me- >code < <= 1; //添加一個0 bsp_display_user_code(me- >code); break; } case ARM_SIG: //ARM按鍵信號 { if (me- >code == me- >defuse) { TRAN(SETTING_STATE); //轉換到設置狀態 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 { if (((TickEvt const *)e)- >fine_time == 0) { --me- >timeout; bsp_display_remain_time(me- >timeout); //顯示倒計時時間 if (me- >timeout == 0) { bsp_display_bomb(); //顯示爆炸效果 Bomb1_init(me); } } break; } } break; } }}2.2 主函數
兩層switch-case狀態機邏輯編寫好之后，還需要將狀態機運行起來。
運行狀態機的本質，就是周期性的調用狀態機（上面實現的兩層switch-case），當有事件觸發時，設置對應的事件，狀態機在運行時，即可處理對應的事件，從而實現狀態的切換，或是其它的邏輯處理。
2.2.1 狀態機的運行
狀態機運行的整體邏輯如下：
void loop(void){ static TickEvt tick_evt = {TICK_SIG, 0}; delay(100); /*狀態機以100ms的循環運行*/? 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) { //監測按鍵是否按下, 按下則設置對應的事件e }? if (e != (Event *)0) /*有指定的按鍵按下*/ { Bomb1_dispatch(&l_bomb, e); /*調度處理按鍵事件*/ } }}2.2.2 事件的觸發
**在狀態機的每個狀態循環執行前，都檢測一下是否有事件觸發，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的。UP、DOWN和ARM的按鍵事件的觸發檢測代碼如下，檢測到對應的按鍵事件后，則設置對應的事件給狀態機，狀態機即可在下次狀態循環中進行處理。 **
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 測試
本例程，使用Arduino作為控制器進行測試，外接3個獨立按鍵和一個IIC接口的OLED顯示屏。
演示視頻：
4 總結
本篇以一個炸彈拆除的小游戲為例，介紹了嵌入式軟件開發中，狀態機編程的思路：
分析系統需要哪幾種狀態，哪幾種事件定義這些狀態、事件，以及狀態機的數據結構使用UML建模，設計對應的狀態圖根據狀態圖，使用C/C++語言，編程實現對應的功能結合硬件進行調試，分析另外，本篇中，還需要體會的是，對事件的表示，通過結構體繼承（嵌套）的方式，實現一個額外的件參數這種用法。審核編輯：湯梓紅
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