真没想到还可以这样写状态机!QP嵌入式实时框架

小麦大叔 2025-03-17 08:01

1 QP嵌入式实时框架

事件驱动型编程

好莱坞原则:和传统的顺序式编程方法例如“超级循环”,或传统的RTOS 的任务不同。绝大多数的现代事件驱动型系统根据好莱坞原则被构造(Don’t call me; I’ll call you.)

QP官网:http://www.state-machine.com/

面向对象

类和单一继承:

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工具

QM :一个通过UML类图来描述状态机的软件,并且可以自动生成C代码

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QS软件追踪工具:

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2 QEP实现有限状态机Fsm

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/* qevent.h ----------------------------------------------------------------*/
  typedef struct QEventTag 
  {
  
    QSignal sig;     
    uint8_t dynamic_;  
  } QEvent;
  /* qep.h -------------------------------------------------------------------*/
  typedef uint8_t QState; /* status returned from a state-handler function */
  typedef QState (*QStateHandler) (void *me, QEvent const *e)/* argument list */
  typedef struct QFsmTag   /* Finite State Machine */
  {
 
    QStateHandler state;     /* current active state */
  }QFsm;
  
  #define QFsm_ctor(me_, initial_) ((me_)->state = (initial_))
  void QFsm_init (QFsm *me, QEvent const *e);
  void QFsm_dispatch(QFsm *me, QEvent const *e);
  
  #define Q_RET_HANDLED ((QState)0)
  #define Q_RET_IGNORED ((QState)1)
  #define Q_RET_TRAN ((QState)2)
  #define Q_HANDLED() (Q_RET_HANDLED)
  #define Q_IGNORED() (Q_RET_IGNORED)
  
   #define Q_TRAN(target_) (((QFsm *)me)->state = (QStateHandler)   (target_),Q_RET_TRAN)
  
  enum QReservedSignals
  {
      Q_ENTRY_SIG = 1
    Q_EXIT_SIG, 
    Q_INIT_SIG, 
    Q_USER_SIG 
  };
  
  /* file qfsm_ini.c ---------------------------------------------------------*/
  #include "qep_port.h" /* the port of the QEP event processor */
  #include "qassert.h" /* embedded systems-friendly assertions */
  void QFsm_init(QFsm *me, QEvent const *e) 
  
{
      (*me->state)(me, e); /* execute the top-most initial transition */
    /* enter the target */
    (void)(*me->state)(me , &QEP_reservedEvt_[Q_ENTRY_SIG]);
  }
  /* file qfsm_dis.c ---------------------------------------------------------*/
  void QFsm_dispatch(QFsm *me, QEvent const *e)
  
{
      QStateHandler s = me->state; /* save the current state */
    QState r = (*s)(me, e); /* call the event handler */
    if (r == Q_RET_TRAN)  /* transition taken? */
      {
            (void)(*s)(me, &QEP_reservedEvt_[Q_EXIT_SIG]); /* exit the source */
            (void)(*me->state)(me, &QEP_reservedEvt_[Q_ENTRY_SIG]);/*enter target*/
    }
  }
实现上面定时器例子
  #include "qep_port.h" /* the port of the QEP event processor */
  #include "bsp.h" /* board support package */
  
  enum BombSignals /* all signals for the Bomb FSM */
  { 
      UP_SIG = Q_USER_SIG,
      DOWN_SIG,
      ARM_SIG,
      TICK_SIG
  };
  typedef struct TickEvtTag 
  {

    QEvent super;      /* derive from the QEvent structure */
    uint8_t fine_time; /* the fine 1/10 s counter */
  }TickEvt;
  
  typedef struct Bomb4Tag 
  {

    QFsm super;   /* derive from QFsm */
    uint8_t timeout; /* number of seconds till explosion */
        uint8_t code;    /* currently entered code to disarm the bomb */
        uint8_t defuse;  /* secret defuse code to disarm the bomb */
  } Bomb4;
  
  void Bomb4_ctor (Bomb4 *me, uint8_t defuse);
  QState Bomb4_initial(Bomb4 *me, QEvent const *e);
  QState Bomb4_setting(Bomb4 *me, QEvent const *e);
  QState Bomb4_timing (Bomb4 *me, QEvent const *e);
  /*--------------------------------------------------------------------------*/
  /* the initial value of the timeout */
  #define INIT_TIMEOUT 10
  /*..........................................................................*/
  void Bomb4_ctor(Bomb4 *me, uint8_t defuse) {
    QFsm_ctor_(&me->super, (QStateHandler)&Bomb4_initial);
    me->defuse = defuse; /* the defuse code is assigned at instantiation */
  }
  /*..........................................................................*/
  QState Bomb4_initial(Bomb4 *me, QEvent const *e) {
    (void)e;
    me->timeout = INIT_TIMEOUT;
    return Q_TRAN(&Bomb4_setting);
  }
  /*..........................................................................*/
  QState Bomb4_setting(Bomb4 *me, QEvent const *e) {
    switch (e->sig){
        case UP_SIG:{
            if (me->timeout < 60) {
                ++me->timeout;
                BSP_display(me->timeout);
            }
              return Q_HANDLED();
        }
        case DOWN_SIG: {
            if (me->timeout > 1) {
                --me->timeout;
                BSP_display(me->timeout);
            }
            return Q_HANDLED();
        }
        case ARM_SIG: {
            return Q_TRAN(&Bomb4_timing); /* transition to "timing" */
        }
    }
    return Q_IGNORED();
  }
  /*..........................................................................*/
  void Bomb4_timing(Bomb4 *me, QEvent const *e) {
    switch (e->sig) {
        case Q_ENTRY_SIG: {
            me->code = 0/* clear the defuse code */
            return Q_HANDLED();
          }
        case UP_SIG: {
            me->code <<= 1;
            me->code |= 1;
            return Q_HANDLED();
          }
        case DOWN_SIG: {
            me->code <<= 1;
            return Q_HANDLED();
        }
        case ARM_SIG: {
            if (me->code == me->defuse) {
                return Q_TRAN(&Bomb4_setting);
            }
            return Q_HANDLED();
        }
        case TICK_SIG: {
            if (((TickEvt const *)e)->fine_time == 0) {
                --me->timeout;
                BSP_display(me->timeout);
                if (me->timeout == 0) {
                BSP_boom(); /* destroy the bomb */
                }
            }
            return Q_HANDLED();
        }
    }
    return Q_IGNORED();
  }

优点:

  • 采用面向对象的设计方法,很好的移植性
  • 实现了进入退出动作
  • 合适的粒度,且事件的粒度可控
  • 状态切换时通过改变指针,效率高
  • 可扩展成为层次状态机

缺点:

  • 对事件的定义以及事件粒度的控制是设计的最大难点,如串口接收到一帧数据,这些变量的更新单独作为某个事件,还是串口收到数据作为一个事件。再或者显示屏,如果使用此种编程方式,如何设计事件。

3 QP实现层次状态机

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初始化层次状态机的实现:在初始化时,用户所选取的状态永远是最底层的状态,如上图,我们在计算器开机后,应该进入的是开始状态,这就涉及到一个问题,由最初top(顶状态)到begin 是有一条状态切换路径的,当我们设置状态为begin如何搜索这条路径成为关键(知道了路径才能正确的进入begin,要执行路径中过渡状态的进入和退出事件)。

void QHsm_init(QHsm *me, QEvent const *e) 
    
{
     Q_ALLEGE((*me->state)(me, e) == Q_RET_TRAN);
        t = (QStateHandler)&QHsm_top; /* HSM starts in the top state */
      do { /* drill into the target... */
      QStateHandler path[QEP_MAX_NEST_DEPTH_];
       int8_t ip = (int8_t)0/* transition entry path index */
       path[0] = me->state; /* 这里的状态为begin */
            
            /*通过执行空信号,从底层状态找到顶状态的路径*/
        (void)QEP_TRIG_(me->state, QEP_EMPTY_SIG_);
        while (me->state != t) {
         path[++ip] = me->state;
       (void)QEP_TRIG_(me->state, QEP_EMPTY_SIG_);
      }
            /*切换为begin*/
       me->state = path[0]; /* restore the target of the initial tran. */
      /* 钻到最底层的状态,执行路径中的所有进入事件 */
        Q_ASSERT(ip < (int8_t)QEP_MAX_NEST_DEPTH_);
      do { /* retrace the entry path in reverse (desired) order... */
          QEP_ENTER_(path[ip]); /* enter path[ip] */
       } while ((--ip) >= (int8_t)0);
            
        t = path[0]; /* current state becomes the new source */
       } while (QEP_TRIG_(t, Q_INIT_SIG) == Q_RET_TRAN);
      me->state = t;
    }

状态切换:

图片
/*.................................................................*/
QState result(Calc *me, QEvent const *e) 
{
    switch (e->sig) 
    {you
        case ENTER_SIG:{
            break;
        }
        case EXIT_SIG:{
            break;
        }
        case C_SIG: 
        {
            printf("clear");    
            return Q_HANDLED();
        }
        case B_SIG:
        {  
            return Q_TRAN(&begin);
        }
    }
    return Q_SUPER(&reday);
}
/*.ready为result和begin的超状态................................................*/
QState ready(Calc *me, QEvent const *e) 
{
    switch (e->sig) 
    {
        case ENTER_SIG:{
            break;
        }
        case EXIT_SIG:{
            break;
        }
        case OPER_SIG:
        {  
            return Q_TRAN(&opEntered);
        }
    }
    return Q_SUPER(&on);
}



void QHsm_dispatch(QHsm *me, QEvent const *e) 
{
    QStateHandler path[QEP_MAX_NEST_DEPTH_];
    QStateHandler s;
    QStateHandler t;
    QState r;
    t = me->state;     /* save the current state */
    do {       /* process the event hierarchically... */
        s = me->state;
        r = (*s)(me, e);   /* invoke state handler s */
    } while (r == Q_RET_SUPER); //当前状态不能处理事件 ,直到找到能处理事件的状态
    
    if (r == Q_RET_TRAN) {     /* transition taken? */
        int8_t ip = (int8_t)(-1);   /* transition entry path index */
        int8_t iq;       /* helper transition entry path index */
        path[0] = me->state;    /* save the target of the transition */
        path[1] = t;
        while (t != s) {   /* exit current state to transition source s... */
            if (QEP_TRIG_(t, Q_EXIT_SIG) == Q_RET_HANDLED) {/*exit handled? */
                (void)QEP_TRIG_(t, QEP_EMPTY_SIG_); /* find superstate of t */
            }
            t = me->state;   /* me->state holds the superstate */
        }
     . . .
    }
    me->state = t;     /* set new state or restore the current state */
}
图片
t = path[0]; /* target of the transition */
    if (s == t) { /* (a) check source==target (transition to self) */
         QEP_EXIT_(s) /* exit the source */
         ip = (int8_t)0/* enter the target */
     }
     else {
         (void)QEP_TRIG_(t, QEP_EMPTY_SIG_); /* superstate of target */
         t = me->state;
         if (s == t) { /* (b) check source==target->super */
              ip = (int8_t)0/* enter the target */
          }
         else {
             (void)QEP_TRIG_(s, QEP_EMPTY_SIG_); /* superstate of src */
             /* (c) check source->super==target->super */
             if(me->state == t) {
                 QEP_EXIT_(s) /* exit the source */
                 ip = (int8_t)0/* enter the target */
              }
              else {
                   /* (d) check source->super==target */
                   if (me->state == path[0]) {
                      QEP_EXIT_(s) /* exit the source */
                   }
                   else { /* (e) check rest of source==target->super->super..
                       * and store the entry path along the way */

                    ....

4 QP实时框架的组成

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内存管理

使用内存池,对于低性能mcu,内存极为有限,引入内存管理主要是整个架构中,是以事件作为主要的任务通信手段,且事件是带参数的,可能相同类型的事件会多次触发,而事件处理完成后,需要清除事件,无法使用静态的事件,因此是有必要为不同事件创建内存池的。对于不同块大小的内存池,需要考虑的是每个块的起始地址对齐问题。在进行内存池初始化时,我们是根据blocksize+header大小来进行划分内存池的。假设一个2字节的结构,如果以2来进行划分,假设mcu 4字节对齐,那么将有一半的结构起始地址无法对齐,这时需要为每个块预留空间,保证每个块的对齐。

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事件队列

每一个活动对象维护一个事件队列,事件都是由基础事件派生的,不同类型的事件只需要将其基础事件成员添加到活动对象的队列中即可,最终在取出的时候通过一个强制转换便能获得附加的参数。

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事件派发

  • 直接事件发送 QActive_postLIFO()
  • 发行订阅事件发送 竖轴表示信号(为事件的基类) 活动对象支持64个优先级,每一个活动对象要求拥有唯一优先级 通过优先级的bit位来表示某个事件被哪些活动对象订阅,并在事件触发后根据优先级为活动对象派发事件。
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代码风格

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最后

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