用C语言实现状态机设计模式
状态机模式是一种行为模式，在《设计模式》这本书中对其有详细的描述，通过多态实现不同状态的调转行为的确是一种很好的方法，只可惜在嵌入式环境下，有时只能写纯c代码，并且还需要考虑代码的重入和多任务请求跳转等情形，因此实现起来着实需要一番考虑。
近日在看了一个开源系统时，看到了一个状态机的实现，也学着写了一个，与大家分享。
首先，分析一下一个普通的状态机究竟要实现哪些内容。
状态机存储从开始时刻到现在的变化，并根据当前输入，决定下一个状态。这意味着，状态机要存储状态、获得输入（我们把它叫做跳转条件）、做出响应。
如上图所示，{s1, s2, s3}均为状态，箭头c1/a1表示在s1状态、输入为c1时，跳转到s2，并进行a1操作。
最下方为一组输入，状态机应做出如下反应：
当前状态 输入 下一个状态 动作
s1 c1 s2 a1
s2 c2 s3 a2
s3 c1 s2 a3
s2 c2 s3 a2
s3 c1 s2 a3
s2 c1 s_trap a_trap
s_trap c1 s_trap a_trap
当某个状态遇到不能识别的输入时，就默认进入陷阱状态，在陷阱状态中，不论遇到怎样的输入都不能跳出。
为了表达上面这个自动机，我们定义它们的状态和输入类型：
typedef int state;typedef int condition; #define states 3 + 1#define state_1 0#define state_2 1#define state_3 2#define state_trap 3 #define conditions 2#define condition_1 0#define condition_2 1
在嵌入式环境中，由于存储空间比较小，因此把它们全部定义成宏。此外，为了降低执行时间的不确定性，我们使用o(1)的跳转表来模拟状态的跳转。
首先定义跳转类型：
typedef void(*actiontype)(state state, condition condition); typedef struct{ state next; actiontype action;} trasition, * ptrasition;
然后按照上图中的跳转关系，把三个跳转加一个陷阱跳转先定义出来：
// (s1, c1, s2, a1)trasition t1 = { state_2, action_1}; // (s2, c2, s3, a2)trasition t2 = { state_3, action_2}; // (s3, c1, s2, a3)trasition t3 = { state_2, action_3}; // (s, c, trap, a1)trasition tt = { state_trap, action_trap};
其中的动作，由用户自己完成，在这里仅定义一条输出语句。
void action_1(state state, condition condition){ printf(action 1 triggered.);}
最后定义跳转表：
ptrasition transition_table[states][conditions] = {/* c1, c2*//* s1 */&t1, &tt,/* s2 */&tt, &t2,/* s3 */&t3, &tt,/* st */&tt, &tt,};
即可表达上文中的跳转关系。
最后定义状态机，如果不考虑多任务请求，那么状态机仅需要存储当前状态便行了。例如：
typedef struct{ state current;} statemachine, * pstatemachine; state step(pstatemachine machine, condition condition){ ptrasition t = transition_table[machine->current][condition]; (*(t->action))(machine->current, condition); machine->current = t->next; return machine->current;}
但是考虑到当一个跳转正在进行的时候，同时又有其他任务请求跳转，则会出现数据不一致的问题。
举个例子：task1(s1, c1/a1 –> s2) 和 task2(s2, c2/a2 –> s3) 先后执行，是可以顺利到达s3状态的，但若操作a1运行的时候，执行权限被task2抢占，则task2此时看到的当前状态还是s1，s1遇到c2就进入陷阱状态，而不会到达s3了，也就是说，状态的跳转发生了不确定，这是不能容忍的。
因此要重新设计状态机，增加一个“事务中”条件和一个用于存储输入的条件队列。修改后的代码如下:
#define e_ok 0#define e_no_data 1#define e_overflow 2 typedef struct{ condition queue[qmax]; int head; int tail; bool overflow;} conditionqueue, * pconditionqueue; int push(conditionqueue * queue, condition c){ unsigned int flags; irq_save(flags); if ((queue->head == queue->tail + 1) || ((queue->head == 0) && (queue->tail == 0))) { queue->overflow = true; irq_restore(flags); return e_overflow; } else { queue->queue[queue->tail] = c; queue->tail = (queue->tail + 1) % qmax; irq_restore(flags); } return e_ok;} int poll(conditionqueue * queue, condition * c){ unsigned int flags; irq_save(flags); if (queue->head == queue->tail) { irq_restore(flags); return e_no_data; } else { *c = queue->queue[queue->head]; queue->overflow = false; queue->head = (queue->head + 1) % qmax; irq_restore(flags); } return e_ok;} typedef struct{ state current; bool intransaction; conditionqueue queue;} statemachine, * pstatemachine; static state __step(pstatemachine machine, condition condition){ state current = machine -> current; ptrasition t = transition_table[current][condition]; (*(t->action))(current, condition); current = t->next; machine->current = current; return current;} state step(pstatemachine machine, condition condition){ condition next_condition; int status; state current; if (machine->intransaction) { push(&(machine->queue), condition); return state_intransaction; } else { machine->intransaction = true; current = __step(machine, condition); status = poll(&(machine->queue), &next_condition); while(status == e_ok) { __step(machine, next_condition); status = poll(&(machine->queue), &next_condition); } machine->intransaction = false; return current; }} void initialize(pstatemachine machine, state s){ machine->current = s; machine->intransaction = false; machine->queue.head = 0; machine->queue.tail = 0; machine->queue.overflow = false;}
新型比较器在所有条件下均具有微功耗操作特性
iphone14pro发售 什么时候发售
WDM定时器在冗余技术中的应用
国产大飞机C919距离交付又近一步：再次成功试飞
空间隔离操作系统µC/OS-MPU中段的定位
用C语言实现状态机设计模式
AI时代应该具备怎样的嵌入式思维
西门子MES平台在湖北卷烟厂中的应用
自制万用表升压电路（三款万用表升压电路设计方案详解）
基于有限状态机(FSM)的SiC MOSFET开关瞬态建模
土壤养分传感器性能的特点以及实际作用的介绍
MLCC龙头异军突起 一个月后被打回原形
vivoNEX双屏版评测 未来不止一面
基于ARM单片机和智能手机的CAN总线分析仪设计
将动作融入人工智能机器人，开启与人的互动时代
智能家居选择要注重哪一些因素
什么是柔性线路板？
有没有高性价比的供应商管理系统
服务机器人在市场上要走的路还很长
数字分身的普及率和讨论热潮都在持续成长并也是物联网布局的下一步骤
近日在看了一个开源系统时，看到了一个状态机的实现，也学着写了一个，与大家分享。
首先，分析一下一个普通的状态机究竟要实现哪些内容。
状态机存储从开始时刻到现在的变化，并根据当前输入，决定下一个状态。这意味着，状态机要存储状态、获得输入（我们把它叫做跳转条件）、做出响应。
如上图所示，{s1, s2, s3}均为状态，箭头c1/a1表示在s1状态、输入为c1时，跳转到s2，并进行a1操作。
最下方为一组输入，状态机应做出如下反应：
当前状态 输入 下一个状态 动作
s1 c1 s2 a1
s2 c2 s3 a2
s3 c1 s2 a3
s2 c2 s3 a2
s3 c1 s2 a3
s2 c1 s_trap a_trap
s_trap c1 s_trap a_trap
当某个状态遇到不能识别的输入时，就默认进入陷阱状态，在陷阱状态中，不论遇到怎样的输入都不能跳出。
为了表达上面这个自动机，我们定义它们的状态和输入类型：
typedef int state;typedef int condition; #define states 3 + 1#define state_1 0#define state_2 1#define state_3 2#define state_trap 3 #define conditions 2#define condition_1 0#define condition_2 1
在嵌入式环境中，由于存储空间比较小，因此把它们全部定义成宏。此外，为了降低执行时间的不确定性，我们使用o(1)的跳转表来模拟状态的跳转。
首先定义跳转类型：
typedef void(*actiontype)(state state, condition condition); typedef struct{ state next; actiontype action;} trasition, * ptrasition;
然后按照上图中的跳转关系，把三个跳转加一个陷阱跳转先定义出来：
// (s1, c1, s2, a1)trasition t1 = { state_2, action_1}; // (s2, c2, s3, a2)trasition t2 = { state_3, action_2}; // (s3, c1, s2, a3)trasition t3 = { state_2, action_3}; // (s, c, trap, a1)trasition tt = { state_trap, action_trap};
其中的动作，由用户自己完成，在这里仅定义一条输出语句。
void action_1(state state, condition condition){ printf(action 1 triggered.);}
最后定义跳转表：
ptrasition transition_table[states][conditions] = {/* c1, c2*//* s1 */&t1, &tt,/* s2 */&tt, &t2,/* s3 */&t3, &tt,/* st */&tt, &tt,};
即可表达上文中的跳转关系。
最后定义状态机，如果不考虑多任务请求，那么状态机仅需要存储当前状态便行了。例如：
typedef struct{ state current;} statemachine, * pstatemachine; state step(pstatemachine machine, condition condition){ ptrasition t = transition_table[machine->current][condition]; (*(t->action))(machine->current, condition); machine->current = t->next; return machine->current;}
但是考虑到当一个跳转正在进行的时候，同时又有其他任务请求跳转，则会出现数据不一致的问题。
举个例子：task1(s1, c1/a1 –> s2) 和 task2(s2, c2/a2 –> s3) 先后执行，是可以顺利到达s3状态的，但若操作a1运行的时候，执行权限被task2抢占，则task2此时看到的当前状态还是s1，s1遇到c2就进入陷阱状态，而不会到达s3了，也就是说，状态的跳转发生了不确定，这是不能容忍的。
因此要重新设计状态机，增加一个“事务中”条件和一个用于存储输入的条件队列。修改后的代码如下:
#define e_ok 0#define e_no_data 1#define e_overflow 2 typedef struct{ condition queue[qmax]; int head; int tail; bool overflow;} conditionqueue, * pconditionqueue; int push(conditionqueue * queue, condition c){ unsigned int flags; irq_save(flags); if ((queue->head == queue->tail + 1) || ((queue->head == 0) && (queue->tail == 0))) { queue->overflow = true; irq_restore(flags); return e_overflow; } else { queue->queue[queue->tail] = c; queue->tail = (queue->tail + 1) % qmax; irq_restore(flags); } return e_ok;} int poll(conditionqueue * queue, condition * c){ unsigned int flags; irq_save(flags); if (queue->head == queue->tail) { irq_restore(flags); return e_no_data; } else { *c = queue->queue[queue->head]; queue->overflow = false; queue->head = (queue->head + 1) % qmax; irq_restore(flags); } return e_ok;} typedef struct{ state current; bool intransaction; conditionqueue queue;} statemachine, * pstatemachine; static state __step(pstatemachine machine, condition condition){ state current = machine -> current; ptrasition t = transition_table[current][condition]; (*(t->action))(current, condition); current = t->next; machine->current = current; return current;} state step(pstatemachine machine, condition condition){ condition next_condition; int status; state current; if (machine->intransaction) { push(&(machine->queue), condition); return state_intransaction; } else { machine->intransaction = true; current = __step(machine, condition); status = poll(&(machine->queue), &next_condition); while(status == e_ok) { __step(machine, next_condition); status = poll(&(machine->queue), &next_condition); } machine->intransaction = false; return current; }} void initialize(pstatemachine machine, state s){ machine->current = s; machine->intransaction = false; machine->queue.head = 0; machine->queue.tail = 0; machine->queue.overflow = false;}
新型比较器在所有条件下均具有微功耗操作特性
iphone14pro发售 什么时候发售
WDM定时器在冗余技术中的应用
国产大飞机C919距离交付又近一步：再次成功试飞
空间隔离操作系统µC/OS-MPU中段的定位
用C语言实现状态机设计模式
AI时代应该具备怎样的嵌入式思维
西门子MES平台在湖北卷烟厂中的应用
自制万用表升压电路（三款万用表升压电路设计方案详解）
基于有限状态机(FSM)的SiC MOSFET开关瞬态建模
土壤养分传感器性能的特点以及实际作用的介绍
MLCC龙头异军突起 一个月后被打回原形
vivoNEX双屏版评测 未来不止一面
基于ARM单片机和智能手机的CAN总线分析仪设计
将动作融入人工智能机器人，开启与人的互动时代
智能家居选择要注重哪一些因素
什么是柔性线路板？
有没有高性价比的供应商管理系统
服务机器人在市场上要走的路还很长
数字分身的普及率和讨论热潮都在持续成长并也是物联网布局的下一步骤