運用狀態(tài)機提高嵌入式軟件效率

引 言
有限狀態(tài)機是根據當前狀態(tài)以及觸發(fā)條件進(jìn)行狀態(tài)轉換的一種機制，包含一組狀態(tài)集(state)、一個(gè)起始狀態(tài)(start state)、一組輸入符號集(alphabet)、一個(gè)映射輸入符號和當前狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉換函數(transition func-tion)的計算模型。當輸入符號串時(shí)，模型隨即進(jìn)入起始狀態(tài)。要讓狀態(tài)機改變到新的狀態(tài)，依賴(lài)于系統的轉換函數。有限狀態(tài)機中有許多變量，例如，與動(dòng)作(actions)轉換(Mealy機)或狀態(tài)(摩爾機)關(guān)聯(lián)的動(dòng)作，多重起始狀態(tài)，基于沒(méi)有輸入符號的轉換或指定符號和狀態(tài)(非定有限狀態(tài)機)的多個(gè)轉換、指派給接收狀態(tài)(識別者)的一個(gè)或多個(gè)狀態(tài)。有限狀態(tài)機多應用于硬件時(shí)序電路設計。
有限狀態(tài)機也可以應用到嵌入式軟件設計中。在進(jìn)行嵌入式軟件設計時(shí)，通常的做法是按照信息流程進(jìn)行順序編程。例如對串行數據的處理，一般是等待接收數據，分析數據，進(jìn)行數據處理，然后發(fā)送處理結果。使用這種軟件設計方法，最突出的一點(diǎn)就是在任務(wù)的處理過(guò)程中，任務(wù)基本上獨占了MCU的資源，即在處理串口數據的過(guò)程中，不會(huì )再去處理其他消息(中斷除外)。采用這種方式，MCU會(huì )在相當長(cháng)的一段時(shí)間內只處理一個(gè)任務(wù)。如果合理運用狀態(tài)機機制開(kāi)發(fā)系統軟件，就可以讓MCU進(jìn)行多任務(wù)的分時(shí)處理。

1 建立有限狀態(tài)機的模型
其實(shí)在平時(shí)的程序設計中，開(kāi)發(fā)人員已經(jīng)不知不覺(jué)地使用了狀態(tài)機，如按鍵狀態(tài)轉換、菜單顯示狀態(tài)的轉換等。但是，很少有系統會(huì )使用狀態(tài)機進(jìn)行多任務(wù)處理。在單片機系統中，通過(guò)對系統各功能模塊的分析，可以建立有限狀態(tài)機的模型，繼而在系統的軟件設計中利用狀態(tài)機的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出結構清晰的高效率嵌入式軟件。
1．1 系統功能分析
具有GPS、GPRS功能的公交車(chē)智能IC卡收費機，其功能包括對乘客使用的非接觸式IC卡進(jìn)行刷卡消費，使用GPS進(jìn)行自動(dòng)報站，以及使用GPRS進(jìn)行實(shí)時(shí)調度等。按照獨占式處理模式，智能收費機的軟件系統會(huì )把多個(gè)任務(wù)按照信息流程進(jìn)行排隊，處理完一個(gè)任務(wù)后，再進(jìn)行下一個(gè)任務(wù)的處理。使用狀態(tài)機進(jìn)行軟件編程，可以把每一個(gè)任務(wù)分解為多個(gè)狀態(tài)，在某個(gè)狀態(tài)處理時(shí)，同時(shí)檢查其他任務(wù)是否需要進(jìn)行信息處理，并進(jìn)行狀態(tài)的轉換。這樣就可以讓MCU在等待的空閑時(shí)間內進(jìn)行多個(gè)消息的處理。
1．2 IC卡功能的狀態(tài)機建模
目前公交車(chē)乘客使用的公交卡，一般都是非接觸式IC卡，需要使用一個(gè)接口芯片對卡片進(jìn)行讀寫(xiě)操作。因此要對IC卡進(jìn)行操作，就需要先對接口芯片進(jìn)行初始化，包括對相關(guān)I／O引腳的設置、訪(fǎng)問(wèn)地址的設定等操作。當非接觸式IC卡進(jìn)入無(wú)線(xiàn)操作范圍后，需要使用Request命令喚醒卡片，再對喚醒的卡片(一張或多張)進(jìn)行防沖突處理，得到卡片的唯一標識碼，然后通過(guò)Select命令選擇要進(jìn)行操作的卡片-。非接觸式IC卡內的數據是用密碼進(jìn)行保護的，而且每個(gè)區的密碼都不一樣。因此在對某個(gè)區進(jìn)行讀寫(xiě)前，還需要進(jìn)行密碼的驗證。只有密碼正確了，才可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作。如果卡片的防沖突處理、選擇卡片操作扇區、授權驗證這幾個(gè)步驟出錯，則需要使用Request命令對卡片重新喚醒，然后再進(jìn)行其他操作。在完成對卡片某一區域的讀寫(xiě)后，可以直接對其他區域進(jìn)行操作(需要重新驗證密碼)，或者使用Request命令對其他卡片進(jìn)行操作。
對IC卡的操作可以分為以下幾個(gè)部分：接口芯片的初始化、查詢(xún)卡片、防沖突處理、選擇卡片、對操作扇區授權驗證、讀卡、寫(xiě)卡。根據對IC卡的操作，可以建立IC卡操作的相應狀態(tài)作為狀態(tài)機。建立狀態(tài)機的模型如圖1所示。類(lèi)似地，對于GPRS、GPS等功能模塊，也可以進(jìn)行相應的狀態(tài)機建模。

2 利用狀態(tài)機進(jìn)行軟件設計
利用前面所建立的狀態(tài)機模型，可以方便地進(jìn)行相應的程序設計。軟件的主要工作是進(jìn)行正確的狀態(tài)切換和在每個(gè)狀態(tài)下執行相應的動(dòng)作。對單個(gè)狀態(tài)機處理的程序設計，可以使用“橫式”或“豎式”兩種設計方法?！皺M式”設計是把每個(gè)狀態(tài)的功能作為一個(gè)子函數處理，在子函數外部進(jìn)行狀態(tài)的切換?！柏Q式”設計是在單個(gè)switch語(yǔ)句中對所有的狀態(tài)進(jìn)行判斷，執行相應動(dòng)作并進(jìn)行狀態(tài)切換。下面以非接觸式IC卡操作為例，對兩種軟件設計方式進(jìn)行討論。假設變量如下：當前狀態(tài)為CUr_state，下一狀態(tài)為next_state；狀態(tài)分別為RC500Config、RC500Request、RC500Anticoll、RC500Select、RC500Auth、RC500LoadMk、RC500Read、RC500write?！柏Q式”程序設計如下：