61、QP-nano在PELICAN人行横道系统中的应用与分析

QP-nano在PELICAN人行横道系统中的应用与分析

1. PELICAN人行横道状态机

PELICAN人行横道状态机描述了人行横道信号灯的状态转换逻辑，其完整状态图展示了各个状态之间的转换关系。下面详细介绍其工作流程：
1. 初始状态 ：初始转换后，状态机进入“operational”状态，此时显示汽车红灯和行人“禁止通行”信号。
2. 汽车通行状态 ：
- “operational”状态有一个嵌套的初始转换，进入“carsEnabled”子状态。
- “carsEnabled”状态又有一个嵌套的初始转换，进入“carsGreen”子状态，此时汽车信号灯变为绿色，并设置一个定时器，在“GREEN_TOUT”时钟周期后超时，该超时时间代表汽车绿灯的最短持续时间。
- “carsGreen”状态还有一个嵌套的初始转换，进入“carsGreenNoPed”子状态，这是一个叶子状态，状态机在此停止并等待。
- 当“carsGreenNoPed”状态接收到“PEDS_WAITING”事件时，状态机转换到“carsGreenPedWait”子状态，此时状态机仍处于“carsGreen”父状态，因为汽车绿灯的最短持续时间尚未结束，但通过转换到该子状态，状态机记住了行人正在等待。
- 当“carsGreenNoPed”状态接收到“Q_TIMEOUT”事件时，状态机转换到“carsGreenInt”（可中断的汽车绿灯）状态。
- “carsGreenInt”状态接收到“PEDS_WAITING”事件时，会立即转换到“carsYellow”状态，因为汽车绿灯的最短持续时间已过。
- “carsGreenPedWait”状态只处理“Q_TIMEOUT”事件，因为行人已经在等待汽车绿灯的最短持续时间结束。
3. 汽车黄灯状态 ：“carsYellow”状态显示汽车黄灯，并设置一个定时器，定时器超时后，状态机转换到“pedsEnabled”状态。此转换会导致退出“carsEnabled”父状态，显示汽车红灯。
4. 行人通行状态 ：
- “pedsEnabled”状态有一个嵌套的初始转换，进入“pedsWalk”子状态，此时显示行人“通行”信号，并设置一个定时器。
- 定时器超时后，状态机转换到“pedsFlash”状态，此时“禁止通行”信号闪烁。使用内部变量“me->pedFlashCtr”来计算闪烁次数。
- “Q_TIMEOUT”事件触发两个具有互补条件的内部转换。当“me->pedFlashCtr”计数器为偶数时，“禁止通行”信号打开；当计数器为奇数时，“禁止通行”信号关闭。无论哪种情况，计数器都会递减。
- 当“me->pedFlashCtr”计数器达到零时，“Q_TIMEOUT”事件触发状态机转换到“carsEnabled”状态，此转换会执行“pedsEnabled”状态的退出动作，显示行人“禁止通行”信号，PELICAN人行横道的生命周期开始重复。
5. 离线模式 ：
- “operational”父状态中的“OFF”事件触发状态机转换到“offline”状态。状态层次结构确保“OFF”转换被“operational”父状态的所有直接或间接子状态继承，因此无论状态机当前处于哪个子状态，“OFF”事件都会触发转换到“offline”状态。
- “offline”状态的子状态中的“Q_TIMEOUT”事件会导致汽车和行人信号灯闪烁。
- “ON”事件可以在任何时候中断“offline”模式，触发状态机转换到“operational”状态。

1.1 状态机流程图

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px

    A([初始状态]):::startend --> B(operational):::process
    B --> C(carsEnabled):::process
    C --> D(carsGreen):::process
    D --> E(carsGreenNoPed):::process
    E -->|PEDS_WAITING| F(carsGreenPedWait):::process
    E -->|Q_TIMEOUT| G(carsGreenInt):::process
    G -->|PEDS_WAITING| H(carsYellow):::process
    F -->|Q_TIMEOUT| H
    H -->|Q_TIMEOUT| I(pedsEnabled):::process
    I --> J(pedsWalk):::process
    J -->|Q_TIMEOUT| K(pedsFlash):::process
    K -->|Q_TIMEOUT<br>me->pedFlashCtr == 0| C
    B -->|OFF| L(offline):::process
    L -->|ON| B

1.2 状态机主要功能总结

• “carsEnabled”和“pedsEnabled”这两个状态实现了PELICAN人行横道的主要功能，即交替允许汽车和行人通行。
• “carsEnabled”状态的退出动作通过显示汽车红灯来禁止汽车通行，“pedsEnabled”状态的退出动作通过显示行人“禁止通行”信号来禁止行人通行。状态转换的UML语义保证了无论状态以何种方式退出，这些退出动作都会被执行，从而确保行人在“pedsEnabled”状态之外始终看到“禁止通行”信号，汽车在“carsEnabled”状态之外始终看到红灯。

2. 行人活动对象

实际的PELICAN人行横道控制器硬件通常会提供一个按钮来生成“PEDS_WAITING”事件，以及一个开关来生成“ON/OFF”事件。但eZ430 USB棒没有按钮或其他提供外部输入的方式，因此需要在一个单独的状态机中模拟行人/操作员。

行人活动对象非常简单，它会定期向PELICAN活动对象发送“PEDS_WAITING”事件，并时不时地通过发送“OFF”事件和“ON”事件来使人行横道进入离线模式。

3. QP-nano移植到带有QK-nano内核的MSP430

3.1 移植概述

PELICAN和行人活动对象的源代码以及main.c模块对于所有目标CPU实际上是相同的，但每个目标都需要特定的QP-nano移植。这里介绍将QP-nano移植到带有抢占式QK-nano内核的MSP430的方法。

3.2 移植文件

QP-nano移植包括“qpn_port.h”头文件和“bsp.c”源文件中的BSP实现。

3.2.1 qpn_port.h头文件

#ifndef qpn_port_h
#define qpn_port_h
#define Q_NFSM
#define Q_PARAM_SIZE 0
#define QF_TIMEEVT_CTR_SIZE 1
/* maximum # active objects--must match EXACTLY the QF_active[] definition */
#define QF_MAX_ACTIVE 2
/* interrupt locking policy for IAR compiler */
#define QF_INT_LOCK() __disable_interrupt()
#define QF_INT_UNLOCK() __enable_interrupt()
/*#define QF_ISR_NEST*/
/* nesting of ISRs not allowed */
/* interrupt entry and exit for QK */
#define QK_ISR_ENTRY() ((void)0)
#define QK_ISR_EXIT() QK_SCHEDULE_()
#include <intrinsics.h>
/* contains prototypes for the intrinsic functions */
#include <stdint.h>
/* Exact-width integer types. WG14/N843 C99 Standard */
#include "qepn.h"
/* QEP-nano platform-independent public interface */
#include "qfn.h"
/* QF-nano platform-independent public interface */
#include "qkn.h"
/* QK-nano platform-independent public interface */
#endif
/* qpn_port_h */

• 配置说明 ：
  • PELICAN人行横道应用程序使用两个活动对象（PELICAN和行人）。
  • IAR编译器提供了非常高效的用于锁定和解锁中断的内联函数。
  • 此QP移植不允许ISR嵌套。
  • QK-nano的中断进入和退出宏与中断嵌套策略一致。
  • IAR头文件 <intrinsics.h> 提供了内联函数的声明，如 __disable_interrupt() 和 __enable_interrupt() 。
  • IAR编译器符合C99标准，提供了标准头文件 <stdint.h> ，用于定义精确宽度的整数类型。
  • 通过包含“qkn.h”头文件来配置QK-nano。

3.2.2 bsp.c源文件

#pragma vector = TIMERA0_VECTOR
__interrupt void timerA_ISR(void) {
    /* see NOTE01 */
    QK_ISR_ENTRY();
    /* inform QK-nano about ISR entry */
    QF_tick();
    QK_ISR_EXIT();
    /* inform QK-nano about ISR exit */
}
/*.......................................................................*/
void BSP_init(void) {
    WDTCTL = (WDTPW | WDTHOLD);
    /* Stop WDT */
    P1DIR |= 0x01;
    /* P1.0 output */
    CCR0 = ((BSP_SMCLK + BSP_TICKS_PER_SEC/2) / BSP_TICKS_PER_SEC);
    TACTL = (TASSEL_2 | MC_1);
    /* SMCLK, upmode */
}
/*.......................................................................*/
void QF_onStartup(void) {
    CCTL0 = CCIE;
    /* CCR0 interrupt enabled */
}
/*.......................................................................*/
void QK_onIdle(void) {
    /* see NOTE02 */
    __low_power_mode_1();
    /* adjust the low-power mode to your application */
}
/*.......................................................................*/
void BSP_signalPeds(enum BSP_PedsSignal sig) {
    if (sig == PEDS_DONT_WALK) {
        LED_on();
    }
    else {
        LED_off();
    }
}
/*......................................................................*/
void Q_onAssert(char const Q_ROM * const Q_ROM_VAR file, int line) {
    (void)file;
    /* avoid compiler warning */
    (void)line;
    /* avoid compiler warning */
    for (;;) {
    }
}

• 代码说明 ：
  • QK-nano可以使用C编译器合成的ISR。在MSP430中，大多数CPU的ISR在进入时会锁定中断。
  • QK_ISR_ENTRY() 宏通知QK-nano进入ISR。
  • ISR调用为ISR上下文设计的QP-nano服务。
  • QK_ISR_EXIT() 宏通知QK-nano退出ISR。
  • BSP初始化配置系统时钟滴答定时器，使其以预定义的速率“BSP_TICKS_PER_SEC”（在“bsp.h”中设置为20Hz）滴答。
  • 启动回调函数启用系统时钟滴答ISR，这是PELICAN人行横道应用程序中唯一的ISR。
  • QK-nano内核的空闲回调函数将进入LPM1模式，这是超低功耗MSP430架构中可用的多种低功耗睡眠模式之一。在实际应用中，应根据具体需求调整电源模式。

3.3 移植总结

使用抢占式内核在PELICAN人行横道示例中并不是很必要，因为该应用程序的定时要求较为宽松。这里介绍抢占式QP-nano配置主要是为了证明QK-nano内核非常轻量级，甚至可以适应内存受限的MCU，如MSP430-F2013。

4. QP-nano内存使用情况

4.1 内存使用表格

为了让你了解QP-nano的内存使用情况，下面的表格展示了不同配置宏设置下QP-nano组件的内存占用情况。数据分别来自IAR编译器针对MSP430 v4.10A（KickStart版本）和ARM Cortex-M3 v5.11（同样是KickStart版本），两种情况都选择了优化级别“High/Size”。

4.1.1 MSP430内存使用情况

配置参数	qepn.c (RAM/ROM)	qfn.c (RAM/ROM)	qkn.c (RAM/ROM)	QP-nano 总计 (RAM/ROM)	配置编号
Q_NFSM	Q_NHSM	Q_PARAM_SIZE	QF_TIMEEVT_CTR_SIZE	QF_MAX_ACTIVE	QK_PREEMPTIVE
√	0	0	4	0/110	6/420
√	2	0	4	0/110	6/474
√	0	0	8	0/110	6/504
√	2	2	8	0/110	9/578
√	2	2	8	0/634	9/578
2	2	8	0/722	9/578	N/A
√	0	0	4	√	0/110
√	2	0	4	√	0/110
√	0	0	8	√	0/110
√	2	2	8	√	0/110
√	2	2	8	√	0/634
2	2	8	√	0/722	6/313

4.1.2 ARM Cortex-M3内存使用情况

配置参数	qepn.c (RAM/ROM)	qfn.c (RAM/ROM)	qkn.c + qkn.s (RAM/ROM)	QP-nano 总计 (RAM/ROM)	配置编号
Q_NFSM	Q_NHSM	Q_PARAM_SIZE	QF_TIMEEVT_CTR_SIZE	QF_MAX_ACTIVE	QK_PREEMPTIVE
√	0	0	4	0/110	12/406
√	2	0	4	0/110	12/456
√	0	0	8	0/110	12/426
√	2	2	8	0/110	13/550
√	2	2	8	0/620	13/550
2	2	8	0/702	13/550	N/A
√	0	0	4	√	0/110
√	2	0	4	√	0/110
√	0	0	8	√	0/110
√	2	2	8	√	0/110
√	2	2	8	√	0/620
2	2	8	√	0/702	9/334

4.2 内存使用分析

• 配置说明 ：表格中列出了不同的配置参数设置，包括是否使用非分层有限状态机（Q_NFSM）、分层状态机（Q_NHSM）、事件参数大小（Q_PARAM_SIZE）、时间事件计数器大小（QF_TIMEEVT_CTR_SIZE）、最大活动对象数量（QF_MAX_ACTIVE）以及是否使用抢占式内核（QK_PREEMPTIVE）。
• 内存占用分析 ：
  • 不同的QP-nano配置分为非抢占式“普通”内核（配置1 - 6）和抢占式QK-nano内核（配置7 - 12）。在每个组中，较简单的配置排在前面，较复杂的配置排在后面。
  • 配置1是绝对最小配置，它消除了HSM代码（仅提供基本的FSM支持），不使用事件参数和时间事件，最多支持四个活动对象。这种最小配置的功能非常有限。
  • 配置4已经相对合理，它仍然只提供非分层FSM，但包括事件参数、时间事件和最多八个活动对象，代码空间成本不到700字节。
  • 到目前为止，最昂贵的功能（就ROM而言）是HSM支持，大约需要650字节（例如，比较配置4和5或10和11）。
  • 相比之下，QK-nano抢占式内核与“普通”内核相比，ROM占用仅增加50 - 100字节。显然，QK-nano的真正成本在于增加的堆栈需求，而表格中并未显示这一点。
  • 与使用IAR编译器为Cortex-M3编译的完整版QP4相比，配置八个活动对象时，完整版QP4需要2,718字节的ROM（QEP组件616字节，QF组件2,102字节）和121字节的RAM，这大致相当于表2中QP-nano的配置6。

4.3 内存使用总结

MSP430和Cortex-M3都具有良好的代码密度，IAR编译器为这些CPU架构生成了出色的机器代码。因此，表格中的数据应被视为QP-nano的最小内存占用，而不是平均结果。表格的主要目的是让你大致了解各种选项的相对成本，而不是提供绝对准确的测量值。需要注意的是，表格仅显示了QP-nano组件直接使用的内存，不包括应用程序所需的内存，特别是堆栈使用情况或活动对象及其事件队列所需的RAM。

5. 总结与展望

5.1 QP - nano的优势总结

• 轻量级与可扩展性 ：QP - nano是一个轻量级的事件驱动框架，能够扩展到非常小的系统，从大约2KB的ROM和100字节左右的RAM开始就能运行。这使得它非常适合低功耗、内存受限的MCU，如MSP430 - F2013等。
• UML风格支持 ：支持UML风格的分层状态机和活动对象，这种设计方式使得系统的状态转换逻辑更加清晰，易于理解和维护。例如在PELICAN人行横道状态机中，通过分层状态机可以清晰地描述信号灯的各种状态转换。
• 配置灵活性 ：通过不同的配置宏设置，可以根据具体应用需求灵活调整QP - nano的功能和内存使用情况。可以选择是否使用分层状态机、事件参数、时间事件等，还能决定是否采用抢占式内核。

5.2 不同配置的选择建议

• 简单应用场景 ：如果应用场景对功能要求较低，如只需要基本的有限状态机支持，且对内存使用非常敏感，可以选择类似配置1的最小配置。这种配置不使用分层状态机、事件参数和时间事件，最多支持四个活动对象，内存占用最小。
• 中等复杂度应用 ：对于中等复杂度的应用，配置4是一个不错的选择。它提供了事件参数、时间事件和最多八个活动对象的支持，代码空间成本不到700字节，能满足大多数中等规模应用的需求。
• 需要分层状态机的应用 ：如果应用需要处理复杂的状态转换逻辑，分层状态机（HSM）是必不可少的。但需要注意的是，HSM支持会显著增加ROM的占用，大约需要650字节。在选择时需要权衡功能需求和内存成本。
• 对实时性要求较高的应用 ：如果应用对实时性要求较高，需要使用抢占式内核。虽然QK - nano抢占式内核与“普通”内核相比，ROM占用仅增加50 - 100字节，但会增加堆栈需求。在实际应用中，需要根据系统的内存情况和实时性要求来决定是否使用。

5.3 未来发展方向

• 进一步优化内存使用 ：随着MCU的不断发展，对内存使用的要求也越来越高。未来可以进一步研究如何优化QP - nano的内存使用，减少不必要的内存开销，使其能够适应更小的系统。
• 支持更多的硬件平台 ：目前QP - nano已经支持MSP430和ARM Cortex - M3等平台，但随着硬件技术的不断发展，可能会有更多新型的MCU出现。未来可以考虑将QP - nano移植到更多的硬件平台上，扩大其应用范围。
• 与其他技术的融合 ：可以探索将QP - nano与其他技术，如物联网、人工智能等进行融合，开发出更具创新性的应用。例如，在智能交通系统中，结合QP - nano的状态机控制和物联网技术，可以实现更加智能的人行横道控制。

5.4 总结流程图

graph LR
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px

    A([QP - nano优势]):::startend --> B(轻量级与可扩展性):::process
    A --> C(UML风格支持):::process
    A --> D(配置灵活性):::process
    E([配置选择建议]):::startend --> F(简单应用选最小配置):::process
    E --> G(中等应用选配置4):::process
    E --> H(需HSM权衡内存):::process
    E --> I(实时性高选抢占内核):::process
    J([未来发展方向]):::startend --> K(优化内存使用):::process
    J --> L(支持更多平台):::process
    J --> M(与其他技术融合):::process

5.5 总结表格

方面	详情
QP - nano优势	轻量级、可扩展性强，支持UML风格，配置灵活
配置选择建议	简单应用选最小配置；中等应用选配置4；需HSM权衡内存；实时性高选抢占内核
未来发展方向	优化内存使用，支持更多平台，与其他技术融合

通过对QP - nano在PELICAN人行横道系统中的应用分析，我们可以看到QP - nano在嵌入式系统开发中具有很大的优势和潜力。在未来的嵌入式系统开发中，QP - nano有望在更多的领域得到应用，为开发者提供更加高效、灵活的解决方案。