理解与应用：嵌入式层次化状态机(HSM)实战

"状态机是用于描述和控制系统行为的模型，它由一系列状态和转换规则组成。在软件工程和硬件设计中，状态机被广泛应用于单片机编程，能够帮助设计者清晰地组织和管理复杂的流程。本文将详细介绍状态机的概念、类型、描述手法以及在实际开发中的应用。 2.1、状态机概念 状态机是一种数学模型，用来表示一个系统随时间变化的行为。每个状态代表系统的一种情况，而状态之间的转换则根据某些条件或事件触发。在单片机编程中，状态机常用于处理循环任务、事件处理或决策流程。状态机可以分为有限状态机（FSM）和层次化状态机（HSM），其中HSM通过分层结构来解决复杂性问题，使得大型系统的设计更加有序。 2.2、状态机其他 2.2.1、状态机类型 状态机主要分为两种类型：确定性有限状态机（DFSM）和非确定性有限状态机（NFDM）。DFSM在给定输入序列下，系统会按固定路径进入特定状态，而NFDM则可能有多个状态转移路径。 2.2.2、状态机的描述手法 状态机可以使用图形表示，如状态图，也可以使用代码实现，如switch-case结构或面向对象的继承机制。在C/C++中，可以使用类的继承和多态来实现状态机。 2.2.3、状态机特殊定义说明 在实际应用中，状态机可能会定义特殊的初始状态、终态，以及过渡条件和动作，这些都对状态机的执行流程有直接影响。 3、状态机实现方式选择 3.1、HSM函数方式 HSM（Hierarchical State Machine）通过函数调用来实现状态的切换，适用于需要处理多级状态的情况。 3.2、uHsm结构方式 uHsm（Micro Hierarchical State Machine）是针对嵌入式环境优化的HSM实现，通常更轻量级且效率更高。 3.3、uHsm设计事项 在设计uHsm时，需要注意内存占用和执行效率，同时考虑如何处理并发和中断。 4、状态机功能库用法 4.1、设计状态图 设计状态图是实现状态机的第一步，它清晰地展示了状态间的转换关系。 4.2、定制状态机数据 每个状态可能需要存储特定的数据，因此需要定义相应的结构体或类来保存这些信息。 4.3、实现状态机 包括包含状态机头文件、定义状态函数、事件处理、状态编号和状态数据表等步骤。 4.4、使用状态机 状态机可以在函数环境和中断环境中使用，需要遵循特定的调用规则，并注意状态切换的正确性和同步问题。 5、可扩充功能的模式 状态机设计应具备扩展性，以便在未来添加新状态或修改现有行为。 6、状态机框架 状态机框架是用于快速构建和管理状态机的工具，提供了一种标准化的方法来创建和维护状态机。 7、基于状态机的并发设计 7.1、并发模式的反省 在并发系统中，状态机设计需要考虑同步和互斥问题，以避免竞态条件和死锁。 7.2、概要设计 并发状态机的概要设计涉及到事件的调度和状态的并发执行，需要深入理解操作系统和并发编程原理。 状态机作为一种强大的设计工具，在单片机编程中扮演着至关重要的角色。理解和掌握状态机的概念、实现方式以及使用技巧，对于编写高效、可维护的代码至关重要。通过灵活运用不同的状态机实现方法，可以应对各种复杂的系统需求。"