嵌入式软件架构设计-事件型状态机

前言

前面介绍了有限状态机（FSM）和分层状态机（HSM），这一篇介绍的主要是事件型状态机（ESM）。

一种在嵌入式系统中广泛应用的设计方法，用于管理和控制系统的状态转换。它将状态的切换与外部事件的发生联系起来，使系统能够更灵活地响应不同的条件和输入。

介绍

事件驱动型状态机将系统划分为一组状态，每个状态表示系统在特定条件下的行为。状态之间的转换是由外部事件的发生触发的，而不是由内部条件或方法调用直接控制。

主要组成部分

状态（States）：系统在不同条件下可能处于的状态。每个状态表示一种特定的行为或状态。
事件（Events）：触发状态转换的外部事件，可以是传感器数据的变化、用户输入、定时器中断等。
状态转换（Transitions）：定义状态之间的转换规则，指明从一个状态切换到另一个状态需要哪个事件的触发。
事件处理程序（Event Handlers）：每个状态可以关联一个或多个事件处理程序，用于处理状态转换时触发的事件。事件处理程序定义了状态之间的行为。

工作原理

事件驱动型状态机的工作原理如下：

初始化：系统初始化时处于初始状态。
事件监测：系统不断监测外部事件的发生。
事件匹配：当某个外部事件发生时，状态机检查当前状态的状态转换表，找到与该事件匹配的状态转换。
状态转换：如果找到匹配的状态转换，系统执行状态转换，并调用关联的事件处理程序。这可能导致系统从当前状态切换到另一个状态。
等待事件：一旦事件处理程序执行完毕，系统会等待下一个外部事件的发生。

区别

基于事件驱动的状态机和普通状态机都是用于管理和控制系统状态转换的方法，但它们在设计思想和实现方式上有一些区别。

普通状态机

状态切换方式：在普通状态机中，状态之间的转换通常是基于内部条件或者直接的方法调用。状态转换通常由状态之间的关系和切换条件直接控制。
切换条件：普通状态机的状态切换通常由硬编码的逻辑条件决定，这些条件可能包括输入信号、定时器、内部变量等。
状态管理：普通状态机需要维护一个状态转换表或者逻辑判断来控制状态的切换和行为。状态之间的关系和切换条件可能会使代码变得复杂，尤其在状态较多或者状态之间的关系较复杂时。
应用场景：普通状态机适用于状态转换较为简单、固定的场景，适合用于描述一些基本的系统行为和流程。

事件型驱状态机

状态切换方式：基于事件驱动的状态机依赖于外部事件的发生来触发状态的转换。状态之间的转换是由事件触发的，状态机根据事件的发生来确定下一个状态。
切换条件：在基于事件驱动的状态机中，状态的转换不是直接由内部逻辑条件决定，而是由外部事件的发生来触发。状态之间的关系和切换条件更加松散。
状态管理：基于事件驱动的状态机不需要维护复杂的状态转换表，而是在收到特定事件时，根据事件来触发状态的切换。这种方式使得状态机的设计更加灵活和可扩展。
应用场景：基于事件驱动的状态机适用于复杂的状态转换和流程，特别是当状态之间的关系比较复杂，或者需要根据外部事件来灵活控制状态转换时，这种方法更加合适。

总体而言，基于事件驱动的状态机相对于普通状态机更具灵活性和扩展性，适用于复杂的嵌入式MCU应用场景。它能够更好地处理状态之间的关系，以及根据外部事件来触发状态的转换，从而提供更高效、灵活和可扩展的状态管理和控制。

代码实现

下面是一个基于事件驱动的状态机框架的简单示例代码，用于说明其工作原理。

#include  #include  // 定义状态枚举 typedef enum {
 STATE_IDLE,
 STATE_RUNNING,
 STATE_PAUSED,
 STATE_STOPPED
} State; // 定义事件枚举 typedef enum {
 EVENT_START,
 EVENT_PAUSE,
 EVENT_RESUME,
 EVENT_STOP
} Event; // 定义状态转换表 typedef struct { State current; // 当前状态 Event event; // 事件 State next; // 事件触发后的新状态 void (*action)(void);
} Transition; // 状态处理函数 void handleIdle(void) { printf("System is idle.\n");
} void handleRunning(void) { printf("System is running.\n");
} void handlePaused(void)  { printf("System is paused.\n");
} void handleStopped(void) { printf("System is stopped.\n");
} // 状态转换函数 void stateTransition(State* currentState, Event event) { // 定义状态转换表 static Transition transitions[] = {
 {STATE_IDLE, EVENT_START, STATE_RUNNING, handleRunning},
 {STATE_RUNNING, EVENT_PAUSE, STATE_PAUSED, handlePaused},
 {STATE_PAUSED, EVENT_RESUME, STATE_RUNNING, handleRunning},
 {STATE_RUNNING, EVENT_STOP, STATE_STOPPED, handleStopped},
 {STATE_PAUSED, EVENT_STOP, STATE_STOPPED, handleStopped}
 }; int numTransitions = sizeof(transitions) / sizeof(transitions[0]); // 查找并执行状态转换 for (int i = 0; i < numTransitions; i++) 
 { if (transitions[i].current == *currentState 
 && transitions[i].event == event) 
 { printf("Transition: %d -> %d\n", 
 *currentState, transitions[i].next);
 transitions[i].action();
 *currentState = transitions[i].next; break;
 }
 }
} int main()  {
 State currentState = STATE_IDLE; // 模拟状态转换事件 stateTransition(¤tState, EVENT_START);
 stateTransition(¤tState, EVENT_PAUSE);
 stateTransition(¤tState, EVENT_RESUME);
 stateTransition(¤tState, EVENT_STOP); return 0;
}

运行结果：

Transition: 0 -> 1 System is running.
Transition: 1 -> 2 System is paused.
Transition: 2 -> 1 System is running.
Transition: 1 -> 3 System is stopped.