状态机编程实例-嵌套switch-case法

状态机编程实例-嵌套switch-case法

嵌入式软件开发领域，状态机编程是一种实用的代码实现方式，尤其适用于事件驱动的系统。

本文以一个炸弹拆除的小游戏为例，阐述了状态机编程的方法。

C/C++语言中实现状态机编程的方法有很多，本文将首先介绍最简单且易于理解的switch-case方法。

1 状态机实例介绍
1.1 炸弹拆除游戏
这是一个自制的炸弹拆除小游戏，包含3个按键和一个屏幕，用于显示倒计时时间和输入的拆除密码。

1.2 状态图
使用状态机编程，首先要绘制对应的UML状态图。在绘制之前，需要明确状态机的状态和事件。

对于本例中的炸弹拆除小游戏，可以归纳为两个状态。

对于事件，有3个按键事件和一个Tick节拍事件。

相关的结构定义如下。

为了便于维护状态机，可以将其定义为一个数据结构体，如下。

数据结构定义好之后，可以设计UML状态图。

这里使用visio画图。

分析这个状态图。

1.3 事件表示
上述状态机事件可以分为两类：按键事件（UP、DOWN和ARM）和Tick。对于第一类事件，需要单一的事件变量来区分；对于第二类Tick，由于引入了1/10s的精细时间，所以需要一个额外的事件参数来表示此次Tick事件的精细时间。

这里介绍一个编程技巧，通过结构体的继承关系实现对事件数据结构的设计，如下。

子图(a)表示TickEvt与Event是继承关系，这是UML类图的画法。

子图(b)是这两个结构体的定义。

子图(c)是TickEvt数据结构在内存中的存储示意。

这两个结构体的定义如下。

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。

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。

本文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
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。

2.1.3 两层switch-case状态机完整代码

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，就是周期性地调用状态机（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。

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。

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。

4 总结
本文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。

另外，本文中，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，实现一个额外的事件参数这种用法。2024-08-12