威海職業(yè)學(xué)院 孔憲青

三段式狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)中的實(shí)現(xiàn)

威海職業(yè)學(xué)院 孔憲青

本文提供一種用于單片機(jī)的編程方法。通過介紹VHDL中的狀態(tài)機(jī)，本文陳述如何將其應(yīng)用于單片機(jī)中，其闡述的方法是一種優(yōu)化的實(shí)時處理方式，比順序編程更有效/更具實(shí)時性。

狀態(tài)機(jī)；單片機(jī)

引言

對于PLD，編程時一般使用狀態(tài)機(jī)，這是一種行之有效的編程方法。狀態(tài)機(jī)是以事件行為為描述核心，并通過狀態(tài)機(jī)體現(xiàn)事件之間的轉(zhuǎn)移機(jī)制。由于PLD使用并行宏單元，因此事件都可描述為宏單元組，而事件的關(guān)聯(lián)使用開關(guān)門和線路實(shí)現(xiàn)，因此說狀態(tài)機(jī)是PLD器件中主要的編程方法。

1 在VHDL中三段式狀態(tài)機(jī)的描述

有限狀態(tài)機(jī)在PLD的應(yīng)用中有四種類型，分別是一段式、兩段式和三段式和多段式。其中多段式狀態(tài)機(jī)對條件描述比較繁瑣，而兩段式狀態(tài)機(jī)實(shí)際就是三段式的精簡。因此實(shí)際類型就是一段式和三段式兩種。其中一段狀態(tài)機(jī)用于描述和順序時間相關(guān)的控制進(jìn)程，例如對于單總線器件ds1820的控制。但是一段式加深了宏單元深度和綜合難度。而標(biāo)準(zhǔn)的三段式狀態(tài)機(jī)對深度和綜合都較好。以米勒狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)為例，見圖1。

圖1 米勒狀態(tài)機(jī)

在VHDL中的代碼如下：

代碼中有三個并行宏單元，相對于順序描述有更快的實(shí)時響應(yīng)。因此，如果把上述結(jié)構(gòu)使用在單片機(jī)上，使用類似的三段式狀態(tài)機(jī)會比單純的順序和中斷結(jié)構(gòu)有更好的實(shí)時性。

2 三段式狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)中的實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)由于CPU在同一時間段內(nèi)只能唯一執(zhí)行一個任務(wù)，因此唯一的方式是把CPU運(yùn)行時間分為若干時間段分段執(zhí)行，類似于時鐘脈沖CLK。代價是使用一個定時器，定時中斷進(jìn)行狀態(tài)改變。下面是一段電梯運(yùn)行的狀態(tài)機(jī)，C代碼舉例如下：

上面代碼中，定時中斷服務(wù)程序不斷檢索條件并不斷改變狀態(tài)（使用枚舉量定義狀態(tài)量），使用switch對應(yīng)VHDL中的進(jìn)程，復(fù)現(xiàn)上圖中的“狀態(tài)改變寄存器邏輯”。同時，輸出再使用switch進(jìn)行狀態(tài)輸出，并提供狀態(tài)改變的部分條件。這樣在一個定時中斷中就實(shí)現(xiàn)了一個狀態(tài)機(jī)，并把其他不同任務(wù)寫成狀態(tài)機(jī)的形式，放入定時中斷中，就可把順序的程序結(jié)構(gòu)變?yōu)槊}沖類型的偽并行邏輯。由于任務(wù)都在中斷中實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)時性很強(qiáng)。

另外，以上單片機(jī)進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移，檢索條件改變和輸出是最簡單的一種，不需要存儲上一次的狀態(tài)量。如果需要把狀態(tài)存儲并保存到下一次狀態(tài)到來，需要在定時器中斷進(jìn)行保存。例如按鍵狀態(tài)機(jī)需要進(jìn)行前后兩次按鍵狀態(tài)才能轉(zhuǎn)移狀態(tài)量，則類似于下面的代碼情況：

unsigned char past; //past和now是按鍵前后兩次狀態(tài)，不是狀態(tài)機(jī)狀態(tài)量

past=now; //按鍵三段式按鍵狀態(tài)機(jī)，狀態(tài)保存

if(key!=0xff)now=0; //由前后兩次狀態(tài)比較得到可用條件

else now=1; //條件可用于狀態(tài)轉(zhuǎn)移組合邏輯

3 結(jié)束語

這種模式應(yīng)用在定時器多的單片機(jī)上更為有效。如果定時器有冗余，則可以開更多的定時器線程，每個線程填入多個狀態(tài)機(jī)，即可滿足運(yùn)行復(fù)雜的實(shí)時處理情況。通過狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)上應(yīng)用，可以把程序結(jié)構(gòu)寫成事件觸發(fā)狀態(tài)機(jī)，這種編程方式為一些任務(wù)重、實(shí)時強(qiáng)、邏輯復(fù)雜的情況提供了一種新的模式和參考。

孔憲青，男，1976年出生，山東省威海人，碩士，講師，研究方向：單片機(jī)應(yīng)用。