运用状态机提高嵌入式软件效率 - 软件编程/OS - 电子工程

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有限状态机是根据当前状态以及触发条件进行状态转换的一种机制，包含一组状态集（state）、一个起始状态（start state）、一组输入符号集（alphabet）、一个映射输入符号和当前状态到下一状态的转换函数（transition function）的计算模型[1]。当输入符号串时，模型随即进入起始状态。要让状态机改变到新的状态，依赖于系统的转换函数。有限状态机中有许多变量，例如，与动作（actions）转换(Mealy机)或状态（摩尔机）关联的动作，多重起始状态，基于没有输入符号的转换或指定符号和状态（非定有限状态机）的多个转换、指派给接收状态（识别者）的一个或多个状态。有限状态机多应用于硬件时序电路设计。

有限状态机也可以应用到嵌入式软件设计中。在进行嵌入式软件设计时，通常的做法是按照信息流程进行顺序编程。例如对串行数据的处理，一般是等待接收数据，分析数据，进行数据处理，然后发送处理结果。使用这种软件设计方法，最突出的一点就是在任务的处理过程中，任务基本上独占了MCU的资源，即在处理串口数据的过程中，不会再去处理其他消息(中断除外)。采用这种方式，MCU会在相当长的一段时间内只处理一个任务。如果合理运用状态机机制开发系统软件，就可以让MCU进行多任务的分时处理。

<strong>1建立有限状态机的模型</strong>

其实在平时的程序设计中，开发人员已经不知不觉地使用了状态机，如按键状态转换、菜单显示状态的转换等。但是，很少有系统会使用状态机进行多任务处理。在单片机系统中，通过对系统各功能模块的分析，可以建立有限状态机的模型，继而在系统的软件设计中利用状态机的特点，开发出结构清晰的高效率嵌入式软件。

1.1系统功能分析

具有GPS、GPRS功能的公交车智能IC卡收费机，其功能包括对乘客使用的非接触式IC卡进行刷卡消费，使用GPS进行自动报站[2]，以及使用GPRS进行实时调度[3]等。按照独占式处理模式，智能收费机的软件系统会把多个任务按照信息流程进行排队，处理完一个任务后，再进行下一个任务的处理。使用状态机进行软件编程，可以把每一个任务分解为多个状态，在某个状态处理时，同时检查其他任务是否需要进行信息处理，并进行状态的转换。这样就可以让MCU在等待的空闲时间内进行多个消息的处理。

1.2IC卡功能的状态机建模

目前公交车乘客使用的公交卡，一般都是非接触式IC卡，需要使用一个接口芯片对卡片进行读写操作。因此要对IC卡进行操作，就需要先对接口芯片进行初始化，包括对相关I/O引脚的设置、访问地址的设定等操作。当非接触式IC卡进入无线操作范围后，需要使用Request命令唤醒卡片，再对唤醒的卡片(一张或多张)进行防冲突处理，得到卡片的唯一标识码，然后通过Select命令选择要进行操作的卡片。非接触式IC卡内的数据是用密码进行保护的，而且每个区的密码都不一样。因此在对某个区进行读写前，还需要进行密码的验证。只有密码正确了，才可以进行读写操作。如果卡片的防冲突处理、选择卡片操作扇区、授权验证这几个步骤出错，则需要使用Request命令对卡片重新唤醒，然后再进行其他操作。在完成对卡片某一区域的读写后，可以直接对其他区域进行操作(需要重新验证密码)，或者使用Request命令对其他卡片进行操作[4]。

对IC卡的操作可以分为以下几个部分：接口芯片的初始化、查询卡片、防冲突处理、选择卡片、对操作扇区授权验证、读卡、写卡。根据对IC卡的操作，可以建立IC卡操作的相应状态作为状态机。建立状态机的模型如图1所示。类似地，对于GPRS、GPS等功能模块，也可以进行相应的状态机建模。


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2010-2-26 17:26:54 上传
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图1非接触IC卡操作的状态机

<strong>2利用状态机进行软件设计</strong>

利用前面所建立的状态机模型，可以方便地进行相应的程序设计。软件的主要工作是进行正确的状态切换和在每个状态下执行相应的动作。对单个状态机处理的程序设计，可以使用“横式”或“竖式”两种设计方法。“横式”设计是把每个状态的功能作为一个子函数处理，在子函数外部进行状态的切换。“竖式”设计是在单个switch语句中对所有的状态进行判断，执行相应动作并进行状态切换。

下面以非接触式IC卡操作为例，对两种软件设计方式进行讨论。假设变量如下：当前状态为cur_state，下一状态为next_state；状态分别为RC500Config、RC500Request、RC500Anticoll、RC500Select、RC500Auth、 RC500LoadMk、RC500Read、RC500Write。[5]“竖式”程序设计如下：

　　switch(cur_state){//在当前状态中判断事件
　　case RC500Config://进行RC500Config初始化状态

　　执行初始化动作

　　if(SUCCESS){
　　next_state = RC500Request;//成功则进行卡片查询
　　}
　　else{

　　断电重新初始化

　　}
　　break;
　　case RC500Request://在RC500Request状态

　　对射频范围内的卡片进行查询

　　if(SUCCESS){ //将状态转移到RC500Anticoll态
　　next_state = RC500Anticoll;
　　}
　　else{

　　继续查询

　　}
　　break;
　　case RC500Anticoll://在RC500Anticoll状态

　　进行抗冲突处理

　　if(SUCCESS){

　　获取卡片识别码，转到选择卡片状态

　　next_state = RC500Select;
　　}
　　case …
　　}

“横式”设计是把每个状态及所要执行的动作单独放到一个子函数中处理，有RC500Config（）、RC500Request（）、 RC500Anticoll（）等。工作状态的确定可以通过查询状态表获得，找到相应的状态后运行相应的子函数。在每个子函数中，既有该状态下应该执行的动作，也有状态的转换。然后在主程序中判断状态是否发生了转换，再转到相应的状态子程序中执行。

横竖两种写法，实现的功能完全相同，但是“竖式”隐含了优先级排序，破坏了事件间原有的关系。同时，由于处在每个状态的事件数目不一致，而且事件发生的时间是随机的，“竖式”设计为顺序查询方式，因此大量时间被浪费。“横式”设计，在某个时间点状态是唯一确定的，延迟时间可以预先准确估算。而且在事件发生时，系统会调用相应的事件函数，在函数里查找唯一确定的状态，并根据其状态执行动作和状态转移。使用这种方式设计的软件思路清晰简洁，效率高，故使用“横式”方法设计程序更好。

类似地，对于GPRS、GPS等功能模块也可以运用状态机机制进行程序设计，从而在整个智能收费机的软件设计中，对所有任务的处理都可以运用状态机机制进行相应的程序设计。

<strong>3使用状态机的效能分析</strong>

在很多嵌入式系统软件设计中都可以用到类似状态机的设计思想，比较常用的地方就是各种液晶界面的设计。使用状态机机制设计软件，可以使设计思路清晰、灵活，软件的可读性强，便于以后的维护。如果合理地使用状态机，还可以较大幅度地提高MCU的运行效率。下面以非接触式IC卡的软件设计流程为例讨论。


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图2嵌入式软件设计方法比较

图2（a）是传统的嵌入式软件设计流程，使用这种流程设计的系统软件按部就班地先执行RC500Config（），再执行 RC500Request（），然后是RC500Anticoll（），直到对IC卡操作完成，再转到其他任务（如GPS）。这样IC卡的操作任务占用了整个MCU资源。图2(b)是使用状态机设计系统软件的流程。在使用状态机的同时设定一个软件时钟，用来为系统的各个任务进行计时，并进行任务的调度。软件时钟使用一个长整型变量进行计时，利用MCU定时器1 ms或10 ms的中断来实现，从而使时钟不受任务执行过程的影响。当某个任务执行过程需要等待延时，执行子函数返回main()函数，让其他任务使用MCU资源。这样实现的软件，在处理某个任务的空隙可以同时处理其他任务的操作，有效地提高了MCU处理事件的能力。具体实现方法如下：

　　RC500Request（）{
　　time_mark = mS_mark;//若需要延时，更新计时的软件时间
　　……
　　if(!past_200mS())break;//如果延时不足200 ms，//返回调用函数，MCU运行其他任务
　　……
　　}

当延时不够200 ms时，函数RC500Request（）直接返回而没有改变IC卡操作的状态，因此MCU下一次进行IC卡操作时，继续执行函数 RC500Request（），直到IC卡操作状态改变。同时，函数RC500Request（）返回后，main()函数会检查GPS、GPRS等工作模块，执行其中的某些动作。也就是说，在执行IC卡操作的同时，可以执行其他任务的操作；同理，在执行其他任务的操作时，也可以执行IC卡的一些操作。这样就可以充分利用MCU的资源，提高MCU对多任务的处理效率。

<strong>结语</strong>

使用上述状态机机制设计的智能公交车IC卡收费机的系统软件，能够及时处理IC卡信息、GPS定位信息、GPRS通信等多个任务的操作，运行稳定，完全满足实际应用的要求。该机制非常适合功能较多的嵌入式软件系统设计。

参考文献

1. 夏宇闻 复杂数字电路与系统的Verilog HDL设计技术 1998
2. Falcom Inc JP-13 datasheet 2005
3. Siemens AG MC55 / MC56 AT Command Set 2005
4. Philips Inc Mifare MFRC531 User Manual 2003
5. 徐爱钧.彭秀华 单片机高级语言C51应用程序设计 1998

作者：山东政法学院 杨瑞霞 来源：单片机与嵌入式系统应用 2009（5）