状态机简介及编程-1

发表于 2024-2-28 21:48

本帖最后由 lzh12a3nf 于 2024-2-28 22:23 编辑

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1、前言

最近在学习过程中运用到了状态机的思维，此文将对状态机的概念及使用进行学习记录。欢迎大家一起学习，有问题评论区一起讨论。

2、状态机

概念：状态机，又称为有限状态机（Finite State Machine，FSM），是一种用于设计和实现程序和系统行为的模型。
涉及六个元素：起始状态、结束状态、现状态、目标状态、动作、条件。
涉及实现流程：

   a.定义状态和事件：首先，需要定义系统可能处于的所有状态，以及可能触发状态转换的事件。
   b.创建状态转换逻辑：确定每个状态下，对于不同事件应该如何响应，包括状态转换和执行的动作。
   c.实现状态机逻辑：编写代码来实现状态转换和动作执行。这通常涉及到编写一个主循环（main loop），在其中不断检查事件并更新状态。
   d.将实现的状态机代码集成到MCU平台(APM32系列)中。其中，可涉及：按键、定时器、中断、输入输出等
   e.调试和测试：状态机设计完成后，搭载上APM32的平台上，需进行硬件的调试和测试，确保状态机的转换能正常工作。

状态机实现的基本逻辑图：

这是一个简单的状态机，含有两个状态：①开门，人进入，关门。②关门，刷卡，开门。

MCU(APM32)的状态机

举个简单的例子：就按键处理来说，按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、按下、抖动和重新释放等状态。

状态机语句框架

在日常编码中，状态机的思想经常使用，如下：
a.if....else....语句状态机

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if 状态1

else if 状态2

else if 状态3

...

else 状态n

优点:

1、该语句结构能够处理更复杂的条件判断，不仅仅限于常量或枚举的比较，还可以包含范围判断、复合条件等。

2、逻辑简单易懂

缺点:

1、当状态或条件较多时，效率下降，需逐一评估条件直到找到匹配项。

2、随着条件的增加，逻辑容易变得非常复杂。

b.switch....case....语句状态机

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　switch(state)

优点:

1、对基于枚举或整数的状态机，效率更高。

2、清晰的分支结构，使得各个状态和转换逻辑更加明确。

3、添加或删除状态时，代码修改更集中，不易混乱。

缺点:

1、仅适用于有限的数据类型（如整数、枚举等），且不能直接使用范围或复合条件。

3、状态机设计
下面，我将基于上个章节的状态机拓展，进行逻辑代码框图设计及代码实现。
3.1、状态机实现逻辑图

3.2、参数说明：

存在状态：

开门，人进入，关门。
开门，刷卡，提示门已开。
关门，刷卡，开门。
关门，强制进入，警告需刷卡。

状态设置：

使用自定义枚举DoorState、DoorEvent将状态列举出来。

状态转换：使用handleEvent回调函数，函数内设计switch....case....语句进行状态转换。

3.3、状态机逻辑代码实现

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#include <stdio.h>

#include <stdbool.h>



// 定义电闸门状态

typedef enum {

    DOOR_CLOSED,

    DOOR_OPEN

} DoorState;



// 电闸门事件

typedef enum {

    CARD_SWIPED,

    PERSON_PASSED,

    NO_ACTION

} DoorEvent;



// 状态机处理函数原型

void handleEvent(DoorState* state, DoorEvent event);



// 主程序入口

int main() {

    DoorState state = DOOR_CLOSED; // 初始状态设置为门关闭

    DoorEvent event;



    // 模仿事件触发

    // 情景1: 刷卡时门关闭

    event = CARD_SWIPED;

    handleEvent(&state, event);



    // 情景2: 关闭状态下未刷卡（触发警报）

    event = NO_ACTION;

    handleEvent(&state, event);



    // 情景3: 开门状态下人通过

    event = PERSON_PASSED;

    handleEvent(&state, event);



    // 情景4: 开门状态下再次刷卡

    event = CARD_SWIPED;

    handleEvent(&state, event);



    return 0;

}



void handleEvent(DoorState* state, DoorEvent event) {

    switch (*state) {

        case DOOR_CLOSED:

            if (event == CARD_SWIPED) {

                *state = DOOR_OPEN; // 改变状态为门打开

                printf("门现在打开。\n");

            }

            else if (event == NO_ACTION) {

                printf("警告！请刷卡！\n"); // 保持状态，只是给出警告

            }

            break;

        case DOOR_OPEN:

            if (event == PERSON_PASSED) {

                *state = DOOR_CLOSED; // 改变状态为门关闭

                printf("人已进入，门现在关闭。\n");

            }

            else if (event == CARD_SWIPED) {

                printf("门已经打开。\n"); // 保持门开状态

            }

            break;

        default:

            printf("未知状态.\n");

            break;

    }

}

注：

本次文章内容分享到此，下一章节将基于APM32系列开发板，实现状态机转换代码。
如有问题，大家评论区一起讨论，谢谢。

[APM32F4] 状态机简介及编程-1

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