状态机的两种写法

最新推荐文章于 2025-05-25 19:13:16 发布
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有限状态机FSM思想广泛应用于硬件控制电路设计，也是软件上经常使用的一种处理方法(软
件上称为FMM--有限消息机)。它把复杂的控制逻辑分解成有限个稳定状态，在每一个状态
上推断事件，变连续处理为离散数字处理，符合计算机的工作特点。同一时候，由于有限状
态机具有有限个状态，所以能够在实际的project上实现。但这并不意味着其仅仅能进行有限
次的处理，相反，有限状态机是闭环系统，有限无穷，能够用有限的状态。处理无穷的
事务。
    有限状态机的工作原理如图1所看到的，发生事件(event)后，依据当前状态(cur_state)
，决定运行的动作(action)。并设置下一个状态号(nxt_state)。

                         -------------
                         |           |-------->运行动作action
     发生事件event ----->| cur_state |
                         |           |-------->设置下一状态号nxt_state
                         -------------
                            当前状态
                      图1 有限状态机工作原理


                               e0/a0
                              --->--
                              |    |
                   -------->----------
             e0/a0 |        |   S0   |-----
                   |    -<------------    | e1/a1
                   |    | e2/a2           V
                 ----------           ----------
                 |   S2   |-----<-----|   S1   |
                 ----------   e2/a2   ----------
                       图2 一个有限状态机实例

              --------------------------------------------
              当前状态   s0        s1        s2     | 事件
              --------------------------------------------
                       a0/s0      --       a0/s0   |  e0
              --------------------------------------------
                       a1/s1      --        --     |  e1
              --------------------------------------------
                       a2/s2     a2/s2      --     |  e2
              --------------------------------------------

               表1 图2状态机实例的二维表格表示(动作/下一状态)

    图2为一个状态机实例的状态转移图，它的含义是：
        在s0状态，假设发生e0事件，那么就运行a0动作。并保持状态不变；
                 假设发生e1事件，那么就运行a1动作。并将状态转移到s1态；
                 假设发生e2事件，那么就运行a2动作，并将状态转移到s2态。
        在s1状态，假设发生e2事件，那么就运行a2动作。并将状态转移到s2态。
        在s2状态，假设发生e0事件。那么就运行a0动作。并将状态转移到s0态；
    有限状态机不仅能够用状态转移图表示，还能够用二维的表格代表。一般将当前状
态号写在横行上，将事件写在纵列上，如表1所看到的。当中“--”表示空(不运行动作。也
不进行状态转移)。“an/sn”表示运行动作an,同一时候将下一状态设置为sn。

表1和图2表示
的含义是全然同样的。
    观察表1可知。状态机能够用两种方法实现：竖着写(在状态中推断事件)和横着写(
在事件中推断状态)。这两种实如今本质上是全然等效的，但在实际操作中，效果却截然
不同。

==================================
竖着写(在状态中推断事件)C代码片段
==================================
    cur_state = nxt_state;
    switch(cur_state){                  //在当前状态中推断事件
        case s0:                        //在s0状态
            if(e0_event){               //假设发生e0事件，那么就运行a0动作，
并保持状态不变；
                运行a0动作;
                //nxt_state = s0;       //由于状态号是自身，所以能够删除此句
。以提高运行速度。
            }
            else if(e1_event){          //假设发生e1事件。那么就运行a1动作。
并将状态转移到s1态；
                运行a1动作;
                nxt_state = s1;
            }
            else if(e2_event){          //假设发生e2事件。那么就运行a2动作。
并将状态转移到s2态；
                运行a2动作;
                nxt_state = s2;
            }
            break;
        case s1:                        //在s1状态
            if(e2_event){               //假设发生e2事件。那么就运行a2动作，
并将状态转移到s2态；
                运行a2动作;
                nxt_state = s2;
            }
            break;
        case s2:                        //在s2状态
            if(e0_event){               //假设发生e0事件。那么就运行a0动作。
并将状态转移到s0态；
                运行a0动作;
                nxt_state = s0;
            }
    }

==================================
横着写(在事件中推断状态)C代码片段
==================================
//e0事件发生时，运行的函数
void e0_event_function(int * nxt_state)
{
    int cur_state;

    cur_state = *nxt_state;
    switch(cur_state){
        case s0:                        //观察表1，在e0事件发生时，s1处为空
        case s2:
            运行a0动作;
            *nxt_state = s0;
    }
}

//e1事件发生时，运行的函数
void e1_event_function(int * nxt_state)
{
    int cur_state;

    cur_state = *nxt_state;
    switch(cur_state){
        case s0:                        //观察表1。在e1事件发生时，s1和s2处为
空
            运行a1动作;
            *nxt_state = s1;
    }
}

//e2事件发生时，运行的函数
void e2_event_function(int * nxt_state)
{
    int cur_state;

    cur_state = *nxt_state;
    switch(cur_state){
        case s0:                        //观察表1，在e2事件发生时。s2处为空
        case s1:
            运行a2动作;
            *nxt_state = s2;
    }
}

    上面横竖两种写法的代码片段，实现的功能全然同样，可是。横着写的效果明显好
于竖着写的效果。

理由例如以下：
    1、竖着写隐含了优先级排序(事实上各个事件是同优先级的)。排在前面的事件推断将
毫无疑问地优先于排在后面的事件推断。

这样的if/else if写法上的限制将破坏事件间原
有的关系。

而横着写不存在此问题。


    2、由于处在每一个状态时的事件数目不一致，并且事件发生的时间是随机的，无法预
先确定。导致竖着写沦落为顺序查询方式。结构上的缺陷使得大量时间被浪费。对于横
着写，在某个时间点，状态是唯一确定的，在事件里查找状态仅仅要使用switch语句。就
能一步定位到对应的状态，延迟时间能够预先准确估算。并且在事件发生时，调用事件
函数，在函数里查找唯一确定的状态，并依据其运行动作和状态转移的思路清晰简洁，
效率高。富有美感。
    总之。我个人觉得，在软件里写状态机，使用横着写的方法比較妥帖。

    竖着写的方法也不是全然不能使用。在一些小项目里，逻辑不太复杂，功能精简。
同一时候为了节约内存耗费。竖着写的方法也不失为一种合适的选择。
    在FPGA类硬件设计中，以状态为中心实现控制电路状态机(竖着写)似乎是唯一的选
择，由于硬件不太可能靠事件驱动(横着写)。

只是。在FPGA里有一个全局时钟。在每次
上升沿时进行状态切换，使得竖着写的效率并不低。尽管在硬件里竖着写也要使用IF/EL
SIF这类查询语句(用VHDL开发)，但他们映射到硬件上是组合逻辑，查询仅仅会引起门级延
迟(ns量级)。并且硬件是真正并行工作的，这样竖着写在硬件里就没有负面影响。

因此
。在硬件设计里。使用竖着写的方式成为必定的选择。这也是为什么非常多搞硬件的project
师在设计软件状态机时下意识地仅仅使用竖着写方式的原因，盖思维定势使然也。

    TCP和PPP框架协议里都使用了有限状态机。这类软件状态机最好使用横着写的方式
实现。以某TCP协议为例。见图3，有三种类型的事件：上层下达的命令事件；下层到达
的标志和数据的收包事件；超时定时器超时事件。

                    上层命令(open,close)事件
            -----------------------------------
                    --------------------
                    |       TCP        |  <----------超时事件timeout
                    --------------------
                 RST/SYN/FIN/ACK/DATA等收包事件

                    图3 三大类TCP状态机事件

    由图3可知，此TCP协议栈採用横着写方式实现，有3种事件处理函数，上层命令处理
函数(如tcp_close)。超时事件处理函数(tmr_slow)；下层收包事件处理函数(tcp_proce
ss)。值得一提的是，在收包事件函数里，在各个状态里推断RST/SYN/FIN/ACK/DATA等标
志(这些标志相似于事件)。看起来象竖着写方式，事实上，假设把包头和数据看成一个整
体。那么，RST/SYN/FIN/ACK/DATA等标志就不必被看成独立的事件。而是属于同一个收
包事件里的细节，这样。就不会觉得在状态里查找事件。而是整体上看，是在收包事件
里查找状态(横着写)。

    在PPP里更是到处都能见到横着写的现象，有时间的话再细说。我个人感觉在实现PP
P框架协议前必须了解横竖两种写法，并且仅仅有使用横着写的方式才干比較完美地实现PP
P。


转载于:https://www.cnblogs.com/ldxsuanfa/p/10044207.html

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