層次狀態(tài)機(jī)在數(shù)字對(duì)講機(jī)中的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

呂金華

摘? ?要：文章闡述數(shù)字對(duì)講機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)管理設(shè)計(jì)方案，著重描述了層次狀態(tài)機(jī)的原理與實(shí)現(xiàn)，闡述了其功能與特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：狀態(tài);層次狀態(tài)機(jī);對(duì)講機(jī)

對(duì)講機(jī)手持終端隨著信令的引入，增加了大量的功能，從模擬對(duì)講機(jī)到數(shù)字對(duì)講機(jī)的過渡，從while大循環(huán)到操作系統(tǒng)的引入，系統(tǒng)越來越龐大，對(duì)講機(jī)的狀態(tài)越來越多。這是由于大量地使用了相互關(guān)聯(lián)的條件編碼，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜且不容易理解。如果能消除這些條件分支的一部分，代碼就會(huì)更容易理解和測(cè)試，并且減少代碼相互關(guān)聯(lián)的分支，使得代碼呈數(shù)量級(jí)減少。因此，引入狀態(tài)來管理復(fù)雜的交互系統(tǒng)是很重要的。

不妨從以下幾方面一起探討狀態(tài)管理的實(shí)現(xiàn)。

1? ? 方案背景

數(shù)字對(duì)講機(jī)系統(tǒng)是交互狀態(tài)較多的系統(tǒng)，狀態(tài)存在內(nèi)嵌情況，對(duì)講機(jī)的整體狀態(tài)調(diào)度所使用的是平面狀態(tài)機(jī)（Plane State Machine，F(xiàn)SM），可以實(shí)現(xiàn)功能派發(fā)，而掃描功能內(nèi)部就使用了層次狀態(tài)機(jī)（Hierarchical State Machine，HSM）實(shí)現(xiàn)功能的嵌套情況[1]。實(shí)際上，HSM與FSM是可以相互轉(zhuǎn)換的，可以把HSM展開用FSM來實(shí)現(xiàn)，而FSM也可以看作是單層的HSM，若在嵌套情況較多的系統(tǒng)中，用FSM實(shí)現(xiàn)會(huì)較為龐大。綜合以上的方案比較，建議使用層次狀態(tài)機(jī)框架（Hierarchical State Machine frame，HSM frame）實(shí)現(xiàn)數(shù)字對(duì)講機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)管理設(shè)計(jì)。

2? ? 狀態(tài)管理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

HSM是對(duì)狀態(tài)行為建模最直觀的方法，也是實(shí)現(xiàn)事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的一種很好的形式方法[2]。主要用來描述對(duì)象、子系統(tǒng)、系統(tǒng)的生命周期。通過層次狀態(tài)機(jī)可以了解到一個(gè)對(duì)象能到達(dá)的所有狀態(tài)以及對(duì)象收到的事件對(duì)對(duì)象狀態(tài)的影響等。狀態(tài)機(jī)指定對(duì)象的行為以及不同狀態(tài)行為的差異。同時(shí)，它還能說明事件是如何改變一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)。因此，非常適用于軟件開發(fā)。

層次狀態(tài)機(jī)的事件處理算法簡(jiǎn)單描述如下：（1）首先，在當(dāng)前狀態(tài)以及其祖先狀態(tài)的狀態(tài)事件表中搜索匹配事件，如果搜索到，保存操作以及目的狀態(tài)標(biāo)識(shí)。（2）在old棧中保存當(dāng)前狀態(tài)到根節(jié)點(diǎn)路徑，在new棧中保存目的狀態(tài)到根節(jié)點(diǎn)路徑。（3）將old棧中的頂層元素依次與new棧的頂層元素匹配，如果匹配則都出棧，不匹配，停止。（4）當(dāng)前的old棧中節(jié)點(diǎn)即為該事件導(dǎo)致的退出狀態(tài)，從棧底掃描到棧頂，依次執(zhí)行exit_func。（5）執(zhí)行以前保存的操作。（6）掃描new棧，從棧頂?shù)綏５滓来螆?zhí)行enter_func。（7）最后檢測(cè)目的狀態(tài)是否是葉節(jié)點(diǎn)狀態(tài)，否，則依次進(jìn)入default_child節(jié)點(diǎn)，并執(zhí)行enter_func。

2.1? 狀態(tài)基本概念

為便于理解，下面給出HSM中的相關(guān)概念。

2.1.1? State（狀態(tài)）

就是一個(gè)系統(tǒng)在其生命周期中某一時(shí)刻的運(yùn)行情況，此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行一些動(dòng)作，或者等待一些外部輸入。

2.1.2? Guard（條件）

狀態(tài)機(jī)對(duì)外部消息進(jìn)行響應(yīng)的時(shí)候，除了需要判斷當(dāng)前的狀態(tài)，還要判斷跟這個(gè)狀態(tài)相關(guān)的一些條件是否成立。這種判斷稱為guard（條件）。guard通過允許或者禁止某些操作來影響狀態(tài)機(jī)的行為[3]。

2.1.3? Event（事件）

就是在一定的時(shí)間和空間上發(fā)生的對(duì)系統(tǒng)有意義的事情，它可以觸發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

2.1.4? Action（動(dòng)作）

當(dāng)一個(gè)Event被狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)分發(fā)的時(shí)候，狀態(tài)機(jī)用Action（動(dòng)作）來進(jìn)行響應(yīng)，比如修改一下變量的值、進(jìn)行輸入輸出、產(chǎn)生另外一個(gè)Event或者遷移到另外一個(gè)狀態(tài)等。

2.1.5? Transition（遷移）

從一個(gè)狀態(tài)切換到另一個(gè)狀態(tài)被稱為Transition（遷移）。引起狀態(tài)遷移的事件被稱為triggering event（觸發(fā)事件），或者簡(jiǎn)稱為trigger（觸發(fā)）[4]。

2.1.6? HSM

層次狀態(tài)機(jī)主要用來描述對(duì)象、子系統(tǒng)、系統(tǒng)的生命周期。通過層次狀態(tài)機(jī)可以了解到一個(gè)對(duì)象能到達(dá)的所有狀態(tài)以及對(duì)象收到的事件對(duì)對(duì)象狀態(tài)的影響等。狀態(tài)機(jī)指定對(duì)象的行為以及不同狀態(tài)行為的差異。同時(shí)，它還能說明事件是如何改變一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)。因此，非常適用于軟件開發(fā)。

層次狀態(tài)機(jī)較之經(jīng)典的平面狀態(tài)機(jī)，最重要的改進(jìn)就是引入了層次式狀態(tài)。狀態(tài)層次嵌套的主要特性來自抽象與層次的結(jié)合。這是一種降低復(fù)雜性的傳統(tǒng)途徑，也就是軟件中的繼承。在面向?qū)ο笾?，類繼承概念描述了類和對(duì)象之間的關(guān)系。狀態(tài)嵌套允許子狀態(tài)繼承來自其超狀態(tài)的狀態(tài)行為，因此，它被稱為行為繼承。

2.2? 層次狀態(tài)機(jī)的功能與特點(diǎn)

狀態(tài)機(jī)所描述的行為不像傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，它完全是由事件驅(qū)動(dòng)的，事件能以任何順序、在任何時(shí)刻出現(xiàn)，狀態(tài)機(jī)必須隨時(shí)準(zhǔn)備好處理這些事情。狀態(tài)機(jī)分平面式狀態(tài)機(jī)和層次式狀態(tài)機(jī)，這里只用到層次式狀態(tài)機(jī)。

如圖1所示：a中top為頂層狀態(tài)，s1，s2為兩個(gè)獨(dú)立的狀態(tài)，s21，s22為s2的子狀態(tài)。b為狀態(tài)機(jī)在代碼中的數(shù)據(jù)組織，在代碼中，每種狀態(tài)都對(duì)應(yīng)于一個(gè)結(jié)構(gòu)體，它里面有一個(gè)super指針，指向其超狀態(tài)，top狀態(tài)的super指針為空指針，這樣就構(gòu)成了層次狀態(tài)機(jī)。

利用層次狀態(tài)機(jī)的原理，適配到對(duì)講機(jī)系統(tǒng)中，把系統(tǒng)劃分為九個(gè)二級(jí)狀態(tài)，分別是守候、接收、發(fā)射、省電、讀寫頻、遙斃、掃描、緊急報(bào)警、監(jiān)聽。若二級(jí)存在內(nèi)嵌狀態(tài)（即進(jìn)入了某種狀態(tài)后還需要回來繼續(xù)進(jìn)行原狀態(tài)的動(dòng)作），則進(jìn)一步劃分該狀態(tài)的子狀態(tài)。

2.3? 基于數(shù)字對(duì)講機(jī)系統(tǒng)的狀態(tài)管理設(shè)計(jì)

對(duì)講機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程由對(duì)講機(jī)狀態(tài)機(jī)控制，狀態(tài)機(jī)為層次狀態(tài)機(jī)（HSM），層次狀態(tài)機(jī)響應(yīng)外部事件，做出相應(yīng)的處理。應(yīng)用狀態(tài)機(jī)必須構(gòu)造狀態(tài)機(jī)。

圖2構(gòu)造的對(duì)講機(jī)狀態(tài)機(jī)為其在代碼中的組織形式，每種狀態(tài)都對(duì)應(yīng)于一個(gè)結(jié)構(gòu)體，它里面有一個(gè)super指針，指向其超狀態(tài)，其中，top為頂層狀態(tài)，top狀態(tài)的super指針為空指針，另外，每個(gè)狀態(tài)還有一個(gè)指向該狀態(tài)的消息響應(yīng)函數(shù)指針hndlr，這樣就構(gòu)成了層次狀態(tài)機(jī)。

狀態(tài)機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)不斷地檢測(cè)自己的消息隊(duì)列里有沒有事件，如果有，則執(zhí)行當(dāng)前狀態(tài)下的事件響應(yīng)函數(shù)，如果沒有發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，則流程結(jié)束，如果發(fā)生了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，則將從當(dāng)前狀態(tài)一層一層退出到與目標(biāo)狀態(tài)共同的超狀態(tài)。每退出一層狀態(tài)，都會(huì)響應(yīng)該層的退出事件，執(zhí)行退出事件響應(yīng)函數(shù)，然后由該共同的超狀態(tài)一層層進(jìn)入到目標(biāo)狀態(tài)，每進(jìn)入一層狀態(tài)，都會(huì)響應(yīng)該層的進(jìn)入事件，執(zhí)行進(jìn)入事件響應(yīng)函數(shù)，直到進(jìn)入目標(biāo)狀態(tài)為止[5]。

各狀態(tài)需要提供的函數(shù)如下：

（1）進(jìn)入狀態(tài)的初始化函數(shù)（ENTRY_EVT時(shí)執(zhí)行）。

（2）退出狀態(tài)的清除函數(shù)（EXIT_EVT時(shí)執(zhí)行）。

（3）監(jiān)聽條件函數(shù)（參看上文Guard的概念，不是必需提供的，這個(gè)判斷可以放在各狀態(tài)內(nèi)執(zhí)行，也可以放在狀態(tài)管理內(nèi)執(zhí)行）。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

狀態(tài)管理的實(shí)現(xiàn)可以有多種方法，在數(shù)字對(duì)講機(jī)項(xiàng)目中，引入層次狀態(tài)機(jī)的思想實(shí)現(xiàn)狀態(tài)管理，其結(jié)構(gòu)清晰，層層進(jìn)入、層層退出的狀態(tài)遷移思想，使得狀態(tài)在遷移過程中各層次的進(jìn)入退出函數(shù)都得以執(zhí)行，保證了各狀態(tài)遷移路徑的正確性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] MIRO S，PAUL M.State-Oriented programming[C].San Diego：2007 Summer Computer Simulation Conference，2003.

[2]MIRO S.嵌入式系統(tǒng)的微模塊化程序設(shè)計(jì)：實(shí)用狀態(tài)圖C_C++實(shí)現(xiàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]詹姆斯，艾娃，格拉迪.UML參考手冊(cè)[M].姚淑珍，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]吳繼華，王誠(chéng).設(shè)計(jì)與驗(yàn)證—Verilog.hdl[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[5]池元武.用狀態(tài)機(jī)原理進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)[EB/OL].（2012-03-15）[2019-07-10].http：//www.doc88.com/p-296208942779.html.

Application and implementation of hierarchical state machine in digital interphone

Lyu Jinhua

（Guangzhou Haige Communications Group Incorporated Company， Guangzhou 510663， China）

Abstract：This paper expounds the design scheme of state management for digital two-way-radio system， emphatically describes the principle and implementation of hierarchical state machine， and expounds its functions and characteristics.

Key words：state; hierarchical state machine; two-way-radio