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(jù)當前狀態(tài)以及觸發(fā)條件進行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的一種機制，包含一組狀態(tài)集(state)、一個起始狀態(tài)(start state)、一組輸入符號集(alphabet)、一個映射輸入符號和當前狀態(tài)到下一狀態(tài)的轉(zhuǎn)換函數(shù)(transition func-tion)的計算模型。當輸入符號串時，模型隨即進入起始狀態(tài)。要讓狀態(tài)機改變到新的狀態(tài)，依賴于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換函數(shù)。有限狀態(tài)機中有許多變量，例如，與動作(actions)轉(zhuǎn)換(Mealy機)或狀態(tài)(摩爾機)關聯(lián)的動作，多重起始狀態(tài)，基于沒有輸入符號的轉(zhuǎn)換或指定符號和狀態(tài)(非定有限狀態(tài)機)的多個轉(zhuǎn)換、指派給接收狀態(tài)(識別者)的一個或多個狀態(tài)。有限狀態(tài)機多應用于硬件時序電路設計。
有限狀態(tài)機也可以應用到嵌入式軟件設計中。在進行嵌入式軟件設計時，通常的做法是按照信息流程進行順序編程。例如對串行數(shù)據(jù)的處理，一般是等待接收數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)處理，然后發(fā)送處理結(jié)果。使用這種軟件設計方法，最突出的一點就是在任務的處理過程中，任務基本上獨占了MCU的資源，即在處理串口數(shù)據(jù)的過程中，不會再去處理其他消息(中斷除外)。采用這種方式，MCU會在相當長的一段時間內(nèi)只處理一個任務。如果合理運用狀態(tài)機機制開發(fā)系統(tǒng)軟件，就可以讓MCU進行多任務的分時處理。

1 建立有限狀態(tài)機的模型
其實在平時的程序設計中，開發(fā)人員已經(jīng)不知不覺地使用了狀態(tài)機，如按鍵狀態(tài)轉(zhuǎn)換、菜單顯示狀態(tài)的轉(zhuǎn)換等。但是，很少有系統(tǒng)會使用狀態(tài)機進行多任務處理。在單片機系統(tǒng)中，通過對系統(tǒng)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(tǒng)的軟件設計中利用狀態(tài)機的特點，開發(fā)出結(jié)構清晰的高效率嵌入式軟件。
1．1 系統(tǒng)功能分析
具有GPS、GPRS功能的公交車智能IC卡收費機，其功能包括對乘客使用的非接觸式IC卡進行刷卡消費，使用GPS進行自動報站，以及使用GPRS進行實時調(diào)度等。按照獨占式處理模式，智能收費機的軟件系統(tǒng)會把多個任務按照信息流程進行排隊，處理完一個任務后，再進行下一個任務的處理。使用狀態(tài)機進行軟件編程，可以把每一個任務分解為多個狀態(tài)，在某個狀態(tài)處理時，同時檢查其他任務是否需要進行信息處理，并進行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。這樣就可以讓MCU在等待的空閑時間內(nèi)進行多個消息的處理。
1．2 IC卡功能的狀態(tài)機建模
目前公交車乘客使用的公交卡，一般都是非接觸式IC卡，需要使用一個接口芯片對卡片進行讀寫操作。因此要對IC卡進行操作，就需要先對接口芯片進行初始化，包括對相關I／O引腳的設置、訪問地址的設定等操作。當非接觸式IC卡進入無線操作范圍后，需要使用Request命令喚醒卡片，再對喚醒的卡片(一張或多張)進行防沖突處理，得到卡片的唯一標識碼，然后通過Select命令選擇要進行操作的卡片-。非接觸式IC卡內(nèi)的數(shù)據(jù)是用密碼進行保護的，而且每個區(qū)的密碼都不一樣。因此在對某個區(qū)進行讀寫前，還需要進行密碼的驗證。只有密碼正確了，才可以進行讀寫操作。如果卡片的防沖突處理、選擇卡片操作扇區(qū)、授權驗證這幾個步驟出錯，則需要使用Request命令對卡片重新喚醒，然后再進行其他操作。在完成對卡片某一區(qū)域的讀寫后，可以直接對其他區(qū)域進行操作(需要重新驗證密碼)，或者使用Request命令對其他卡片進行操作。
對IC卡的操作可以分為以下幾個部分：接口芯片的初始化、查詢卡片、防沖突處理、選擇卡片、對操作扇區(qū)授權驗證、讀卡、寫卡。根據(jù)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。類似地，對于GPRS、GPS等功能模塊，也可以進行相應的狀態(tài)機建模。

2 利用狀態(tài)機進行軟件設計
利用前面所建立的狀態(tài)機模型，可以方便地進行相應的程序設計。軟件的主要工作是進行正確的狀態(tài)切換和在每個狀態(tài)下執(zhí)行相應的動作。對單個狀態(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”設計是把每個狀態(tài)的功能作為一個子函數(shù)處理，在子函數(shù)外部進行狀態(tài)的切換?！柏Q式”設計是在單個switch語句中對所有的狀態(tài)進行判斷，執(zhí)行相應動作并進行狀態(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。“豎式”程序設計如下：