摘 要：在數(shù)據(jù)通訊軟件中，上位機(jī)（PC機(jī)）數(shù)據(jù)通訊協(xié)議棧的編寫(xiě)工作通常由Switch/Case分支語(yǔ)句來(lái)完成。分支語(yǔ)句是一種簡(jiǎn)單初級(jí)的邏輯表達(dá)式，因此不易做到模塊化，擴(kuò)充性能和可移植性能都不理想，因而引入了狀態(tài)機(jī)技術(shù)。通過(guò)將通訊協(xié)議棧抽象為有序的不同狀態(tài)和行為，再嵌入到C++類(lèi)中，可模擬狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)此通訊處理，在Visual C++6.0平臺(tái)上運(yùn)行可靠，穩(wěn)定性好，并且狀態(tài)行為具有可繼承性。

關(guān)鍵詞：FSM；數(shù)據(jù)采集；協(xié)議棧；分支語(yǔ)句

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0314603

FSM Methodology and Its Application in Communication Protocol Stack

ZHANG Laming，TONG Yu

(School of Mechanical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，116024，China)

Abstract：Switch/Case syntax is the traditional method to program the communication protocol stack in the software of data communication.However，Switch/Case syntax as a simple logical expression neither have expansibility and transplantable performance nor can be modularization.A new method based on FSM methodology is introduced in this paper.Dividing communication protocol stack into a lot of states and actions，which is embedded into the C++ class and can be inherited by other classes，making the software work reliably and stability on Visual C++ platform.

Keywords：FSM；data acquisition；protocol stack；syntax

在計(jì)算機(jī)數(shù)字通訊中經(jīng)常要對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行打包、解包和校驗(yàn)等多種順序操作，相應(yīng)的也要求協(xié)議軟件能對(duì)接收的數(shù)據(jù)依次進(jìn)行相關(guān)處理，從而表現(xiàn)出數(shù)字通訊中的多階段性特征，為了滿(mǎn)足分階段處理通訊數(shù)據(jù)的需要，引進(jìn)了狀態(tài)機(jī)技術(shù)。由于狀態(tài)機(jī)能以模塊化支撐協(xié)議，因而在數(shù)據(jù)通訊協(xié)議棧處理技術(shù)方面扮演著越來(lái)越重要的角色。

1 狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)介

狀態(tài)機(jī)（有限狀態(tài)機(jī)）是一種具有離散輸入輸出系統(tǒng)的模型。任何時(shí)刻他都處于一個(gè)特定的狀態(tài)，狀態(tài)的轉(zhuǎn)換依賴(lài)于系統(tǒng)所接受的事件。當(dāng)在某狀態(tài)下有事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)輸入的事件和當(dāng)前的狀態(tài)做出反映，從而決定如何處理該事件以及是否轉(zhuǎn)換到下一狀態(tài)[1]。

狀態(tài)的觸發(fā)事件通常由外部信號(hào)來(lái)完成，當(dāng)有效的觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)，便進(jìn)入下一狀態(tài)（當(dāng)然也可以不發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移），同時(shí)完成本狀態(tài)的具體任務(wù)，直到所有狀態(tài)完成，再回到初始狀態(tài)。當(dāng)某一狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，也返回初始狀態(tài)，等待下一觸發(fā)事件的出現(xiàn)，如此反復(fù)循環(huán)。

狀態(tài)機(jī)通常有兩種表達(dá)方式：狀態(tài)表和狀態(tài)圖。

在圖1所示簡(jiǎn)單狀態(tài)圖中，當(dāng)狀態(tài)機(jī)處于狀態(tài)1時(shí)，完成動(dòng)作1；事件1可以觸發(fā)狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)到狀態(tài)2，以執(zhí)行動(dòng)作2；同樣，事件2也可以觸發(fā)狀態(tài)2的轉(zhuǎn)移，從而又回到狀態(tài)1。圖1所示狀態(tài)和轉(zhuǎn)移都很簡(jiǎn)單，真正的狀態(tài)機(jī)比他要復(fù)雜的多。

圖1 狀態(tài)事件圖

對(duì)應(yīng)圖1的狀態(tài)表如表1所示。其中，括號(hào)內(nèi)為當(dāng)前狀態(tài)動(dòng)作和下一狀態(tài)，空網(wǎng)格表示在此狀態(tài)下，此事件無(wú)效，即不能觸發(fā)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，當(dāng)然也不執(zhí)行任何動(dòng)作。

表1狀態(tài)事件表

2 狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)

在高級(jí)編程語(yǔ)言（如C，C++）中狀態(tài)機(jī)的典型實(shí)現(xiàn)主要有：

嵌套的Switch語(yǔ)句；

狀態(tài)表；

面向?qū)ο鬆顟B(tài)設(shè)計(jì)模式。

其他技術(shù)幾乎是前面3種方式的組合[2]。

Switch／Case語(yǔ)句是一種內(nèi)聯(lián)性很強(qiáng)、病態(tài)耦合的編程技術(shù)，是一種簡(jiǎn)單初級(jí)的邏輯表達(dá)式，因此不易做到模塊化、靈活的可擴(kuò)充性和可移植性，至于魯棒性就更差了?，F(xiàn)代軟件技術(shù)講究松耦合、可移植、可快速擴(kuò)充，并要求安全可靠，而狀態(tài)表的實(shí)現(xiàn)正是基于這一思想而發(fā)展的。當(dāng)要在狀態(tài)機(jī)中增加新的狀態(tài)與控制邏輯，只需在狀態(tài)表中修改即可，甚至可以動(dòng)態(tài)修改，C++的指針完美地支持這一點(diǎn)。在狀態(tài)變化不是很復(fù)雜的情況下，這是一種非?？扇〉姆椒?。

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PC端數(shù)據(jù)通訊協(xié)議棧的狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)

在筆者所編寫(xiě)的土壤滲流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)PC端軟件中，很好的利用了狀態(tài)機(jī)技術(shù)來(lái)完成數(shù)據(jù)通訊協(xié)議棧的處理。此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集由下位機(jī)（單片機(jī)）和上位機(jī)（PC機(jī)）共同來(lái)完成。對(duì)于PC端軟件來(lái)說(shuō)，正確的數(shù)據(jù)接收是后續(xù)工作的前提和保障。因此，有必要對(duì)接收到的每一幀消息進(jìn)行檢測(cè)和校驗(yàn)，即進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理。只有符合通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)才進(jìn)行后續(xù)處理，不符合通訊協(xié)議的數(shù)據(jù)將丟棄掉，并且通知下位機(jī)數(shù)據(jù)出錯(cuò)。下面將結(jié)合筆者參與開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，論述狀態(tài)機(jī)技術(shù)在PC端軟件中的編程應(yīng)用：

3.1 上下位機(jī)軟件的串行通訊協(xié)議

3.1.1 PDU協(xié)議

PDU數(shù)據(jù)單元分為兩類(lèi)：指令類(lèi)PDU和數(shù)據(jù)類(lèi)PDU。指令PDU用于在通訊設(shè)備之間傳輸控制信息和狀態(tài)信息；數(shù)據(jù)PDU用于在通訊設(shè)備之間傳輸采集數(shù)據(jù)。本協(xié)議PDU格式如下：

功能代碼子功能代碼(可選)參數(shù)數(shù)據(jù)

3.1.2 物理層（PHY）

物理層接口的連接部件為D型9針連接器，其電平定義為標(biāo)準(zhǔn)RS 232電平標(biāo)準(zhǔn)，上下位機(jī)通過(guò)RS 232串口實(shí)現(xiàn)通訊。

3.1.3 邏輯鏈路子層（LLC）

邏輯鏈路子層的主要工作就是提供幀處理服務(wù)與差錯(cuò)控制服務(wù)。

幀處理服務(wù)分為兩種級(jí)別——數(shù)據(jù)幀服務(wù)和消息幀服務(wù)。數(shù)據(jù)幀服務(wù)控制數(shù)據(jù)幀的比特?cái)?shù)，停止位數(shù)；消息幀服務(wù)提供消息幀頭和消息幀尾來(lái)封裝消息幀，以實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收的消息同步，正確界定消息幀。在本通訊協(xié)議中采用消息幀，用ASCII字符“：”標(biāo)記消息幀頭，以連續(xù)的ASCII字符CR+LR標(biāo)記消息幀尾。

LLC層還提供消息幀差錯(cuò)控制服務(wù)：在本協(xié)議中采用LRC校驗(yàn)算法。通訊時(shí)，發(fā)送方按LRC算法生成LRC校驗(yàn)碼，按照高位在前低位在后的順序附加在原始的消息幀尾部，最后以“：”和CR+LF對(duì)消息進(jìn)行封裝。接收方按LRC算法將接收到的LRC校驗(yàn)碼與在本地運(yùn)算得到的校驗(yàn)碼進(jìn)行對(duì)比，從而判斷接收到的數(shù)據(jù)的正確性。

3.1.4 ADU格式

上位機(jī)（PC機(jī)）與下位機(jī)通訊協(xié)議的ADU格式如下：

3.2 狀態(tài)表的制定

按照本協(xié)議，上位機(jī)對(duì)接收到的每一幀消息進(jìn)行校驗(yàn)。其中功能代碼，數(shù)據(jù)，LRC碼在一幀消息中處于一定的先后位置，有相應(yīng)的動(dòng)作（如保存，校核等）與之對(duì)應(yīng)，可以視為不同的狀態(tài)，另外，消息幀頭、幀尾等也視為不同的狀態(tài)。而對(duì)于每一個(gè)接收的字符，可以視其為觸發(fā)信號(hào)。如當(dāng)接收的數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn)數(shù)字時(shí)，視其為DATA_SIG信號(hào)，當(dāng)接收的數(shù)據(jù)幀中出現(xiàn)回車(chē)（CR）字符時(shí)，視其為CR_SIG信號(hào)等，從而通過(guò)不斷接收字符來(lái)觸發(fā)狀態(tài)的行為和轉(zhuǎn)移，使?fàn)顟B(tài)機(jī)循環(huán)工作下去。在分析數(shù)據(jù)通訊協(xié)議的基礎(chǔ)上，通過(guò)抽象，可將每幀消息分為如表2所示幾個(gè)狀態(tài)及觸發(fā)信號(hào)。

在表2中頂行列出了信號(hào)（觸發(fā)或事件），最左邊一列是狀態(tài)。各網(wǎng)格的內(nèi)容是轉(zhuǎn)換，他表示為{動(dòng)作，下一狀態(tài)}。例如，在BEGIN狀態(tài)中，當(dāng)接收到COLON_SIG信號(hào)時(shí)，將會(huì)調(diào)用DoClear（）這一函數(shù)，從而完成一些數(shù)據(jù)復(fù)位工作，同時(shí)，也觸發(fā)狀態(tài)到下一狀態(tài)——MAINCODE狀態(tài)。而對(duì)于其他觸發(fā)信號(hào)，狀態(tài)機(jī)狀態(tài)不變，仍在BEGIN狀態(tài)，且什么動(dòng)作也不做。COLON_SIG信號(hào)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)幀的“：”字符，即當(dāng)接收到“：”字符后，就向狀態(tài)機(jī)發(fā)出一COLON_SIG信號(hào)，使?fàn)顟B(tài)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行。而對(duì)接收的其他字符，在沒(méi)有收到“：”字符之前，協(xié)議要求不做處理。表中的其他動(dòng)作解釋如下：

RecordType（） //記錄功能代碼，指令類(lèi)代碼或數(shù)據(jù)類(lèi)代碼

DataAdd（）//數(shù)據(jù)記錄

DoLRC（） //完成LRC校驗(yàn)工作

DoFinish（）//數(shù)據(jù)檢驗(yàn)完畢處理

ComRecord（）//記錄子功能代碼

RecordState（）//記錄數(shù)據(jù)通道狀態(tài)（正?；虿徽＃?/p>

DoError（）//數(shù)據(jù)幀出錯(cuò)報(bào)告

3.3 狀態(tài)表的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)軟件用Visual C++ 6.0 編寫(xiě)，C++語(yǔ)言基于面向?qū)ο缶幊蹋∣OP）思想，而狀態(tài)機(jī)的核心機(jī)制是行為繼承，這與OOP模式很相似，超狀態(tài)的行為能很容易地被子狀態(tài)所繼承。鑒于此，可以利用C++的類(lèi)來(lái)表現(xiàn)狀態(tài)行為，即將狀態(tài)行為嵌入到C++類(lèi)中，從而在Visual C++平臺(tái)上可以很好地運(yùn)行狀態(tài)機(jī)。本狀態(tài)表的實(shí)現(xiàn)就是利用這一機(jī)制，父類(lèi)封裝了抽象的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和當(dāng)前狀態(tài)行為，子類(lèi)實(shí)現(xiàn)具體的狀態(tài)行為和狀態(tài)轉(zhuǎn)換。詳見(jiàn)如下核心代碼。

表2 數(shù)據(jù)通訊協(xié)議棧處理狀態(tài)表

父類(lèi)StatusClass 類(lèi)核心代碼如下：

// 定義成員函數(shù)指針

typedef void (StatusClass::* Action) ();

// 定義內(nèi)層結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換

struct Translate

{

Action action; // 抽象行為動(dòng)作

unsigned nextStatus; // 抽象的下一動(dòng)作

};

// 狀態(tài)行為和轉(zhuǎn)換

void StatusClass::dispatch(unsigned const sig)

{

register Translateconst *t=myTable+ myState* myNsignals+sig;// 查狀態(tài)表

(this->*(t->action)) ();

myState=t->nextStatus;

}

// 無(wú)狀態(tài)行為的缺省動(dòng)作

Void StatusClass::doNothing()

{

……

}

子類(lèi)SubStatusClass 類(lèi)核心代碼如下：

// 定義的信號(hào)

enum

Event{OTHER_SIG，C_SIG，D_SIG，DATA_SIG，CHAR_SIG，CR_SIG，LF_SIG，COLON_SIG，MAX_SIG};

//定義的狀態(tài)

enum

State{BEGIN，MAINCODE，DATA，SUBCODE，PARAM，MAX_STATE};

// 初始化狀態(tài)機(jī)

void SubStatusClass::init()

{

……

}

// 狀態(tài)表，包含實(shí)際的狀態(tài)行為和狀態(tài)轉(zhuǎn)換

（此狀態(tài)表對(duì)應(yīng)于表2所示狀態(tài)和行為）

StatusClass::Tran const SubStatusClassClass::myTable[MAX_STATE][MAX_SIG]= {

{{StatusClass::doNothing，BEGIN}，{StatusClass::doNothing，BEGIN}，{StatusClass::doNothing，BEGIN}，{StatusClass::doNothing，BEGIN}，

{StatusClass::doNothing，BEGIN}，{StatusClass::doNothing，BEGIN}，{StatusClass::doNothing，BEGIN}，

{static_cast(SubStatusClassClass::DoClear)，MAINCODE}}，

……

};

3.4 狀態(tài)類(lèi)的調(diào)用

筆者已經(jīng)將狀態(tài)行為封裝至C++類(lèi)當(dāng)中，所以在程序中調(diào)用時(shí)只須定義一個(gè)StatusClass類(lèi)的對(duì)象即可運(yùn)行狀態(tài)機(jī)了。同樣，隨著對(duì)象的銷(xiāo)毀，狀態(tài)機(jī)的生命周期也就結(jié)束。在本軟件中，數(shù)據(jù)的通訊協(xié)議棧處理是在單獨(dú)一個(gè)線(xiàn)程（預(yù)處理線(xiàn)程）中完成的，而此線(xiàn)程的觸發(fā)依賴(lài)于數(shù)據(jù)的接收。故當(dāng)有數(shù)據(jù)幀接收時(shí)便會(huì)使預(yù)處理線(xiàn)程恢復(fù)，從而啟動(dòng)狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)。狀態(tài)類(lèi)調(diào)用核心代碼如下：

DWORD WINAPI

CMycomFirDlg::ProtocalThread(LPVOID lpParameter )

{

……

// 創(chuàng)建狀態(tài)類(lèi)對(duì)象

SubStatusClassClassmyStatus;

// 初始化狀態(tài)機(jī)

myStatus.init();

……

// 狀態(tài)機(jī)入口

myStatus.DealChar（）

……

// 掛起預(yù)處理線(xiàn)程

SuspendThread(Protocal_handle);

}

4 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐證明，將狀態(tài)機(jī)技術(shù)巧妙地運(yùn)用于數(shù)據(jù)通訊協(xié)議棧處理程序中，收到了很好的效果，不但可以避免大量的Switch/Case語(yǔ)句，使程序簡(jiǎn)潔，而且提高了程序的擴(kuò)展性能，便于維護(hù)和修改。同時(shí)，由于狀態(tài)機(jī)的行為嵌入到了C++的類(lèi)當(dāng)中，可以視其為一個(gè)類(lèi)，因而具有類(lèi)的所有特征，可以被繼承，移植性能好，具有實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]魏先民.有限狀態(tài)機(jī)在嵌入式軟件中的應(yīng)用[J].濰坊學(xué)報(bào)，2007，6(4):24—25.

[2]Samek Mico.Practical Statecharts in C/C++——Quantem Programming for Embedded Systems[M].USA:CMP Books (CMP Media LLC)，2002.

作者簡(jiǎn)介 張臘明 男，1982年出生，湖南長(zhǎng)沙人，大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)電控制。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。