狀態機技術在數據通訊協議棧中的編程應用

摘 要：在數據通訊軟件中，上位機（PC機）數據通訊協議棧的編寫工作通常由Switch/Case分支語句來完成。分支語句是一種簡單初級的邏輯表達式，因此不易做到模塊化，擴充性能和可移植性能都不理想，因而引入了狀態機技術。通過將通訊協議棧抽象為有序的不同狀態和行為，再嵌入到C++類中，可模擬狀態機實現此通訊處理，在Visual C++6.0平臺上運行可靠，穩定性好，并且狀態行為具有可繼承性。

關鍵詞：FSM；數據采集；協議棧；分支語句

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：B

文章編號：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

在計算機數字通訊中經常要對通訊數據進行打包、解包和校驗等多種順序操作，相應的也要求協議軟件能對接收的數據依次進行相關處理，從而表現出數字通訊中的多階段性特征，為了滿足分階段處理通訊數據的需要，引進了狀態機技術。由于狀態機能以模塊化支撐協議，因而在數據通訊協議棧處理技術方面扮演著越來越重要的角色。

1 狀態機簡介

狀態機（有限狀態機）是一種具有離散輸入輸出系統的模型。任何時刻他都處于一個特定的狀態，狀態的轉換依賴于系統所接受的事件。當在某狀態下有事件發生時，系統會根據輸入的事件和當前的狀態做出反映，從而決定如何處理該事件以及是否轉換到下一狀態[1]。

狀態的觸發事件通常由外部信號來完成，當有效的觸發事件發生時，便進入下一狀態（當然也可以不發生狀態轉移），同時完成本狀態的具體任務，直到所有狀態完成，再回到初始狀態。當某一狀態出現異常時，也返回初始狀態，等待下一觸發事件的出現，如此反復循環。

狀態機通常有兩種表達方式：狀態表和狀態圖。

在圖1所示簡單狀態圖中，當狀態機處于狀態1時，完成動作1；事件1可以觸發狀態機跳轉到狀態2，以執行動作2；同樣，事件2也可以觸發狀態2的轉移，從而又回到狀態1。圖1所示狀態和轉移都很簡單，真正的狀態機比他要復雜的多。

圖1 狀態事件圖

對應圖1的狀態表如表1所示。其中，括號內為當前狀態動作和下一狀態，空網格表示在此狀態下，此事件無效，即不能觸發狀態的轉移，當然也不執行任何動作。

表1狀態事件表

2 狀態機的實現

在高級編程語言（如C，C++）中狀態機的典型實現主要有：

嵌套的Switch語句；

狀態表；

面向對象狀態設計模式。

其他技術幾乎是前面3種方式的組合[2]。

Switch／Case語句是一種內聯性很強、病態耦合的編程技術，是一種簡單初級的邏輯表達式，因此不易做到模塊化、靈活的可擴充性和可移植性，至于魯棒性就更差了。現代軟件技術講究松耦合、可移植、可快速擴充，并要求安全可靠，而狀態表的實現正是基于這一思想而發展的。當要在狀態機中增加新的狀態與控制邏輯，只需在狀態表中修改即可，甚至可以動態修改，C++的指針完美地支持這一點。在狀態變化不是很復雜的情況下，這是一種非?？扇〉姆椒ā?/p>

3 數據采集系統PC端數據通訊協議棧的狀態機實現

在筆者所編寫的土壤滲流實驗數據采集系統PC端軟件中，很好的利用了狀態機技術來完成數據通訊協議棧的處理。此實驗數據的采集由下位機（單片機）和上位機（PC機）共同來完成。對于PC端軟件來說，正確的數據接收是后續工作的前提和保障。因此，有必要對接收到的每一幀消息進行檢測和校驗，即進行數據的預處理。只有符合通訊協議的數據才進行后續處理，不符合通訊協議的數據將丟棄掉，并且通知下位機數據出錯。下面將結合筆者參與開發的數據采集系統，論述狀態機技術在PC端軟件中的編程應用：

3.1 上下位機軟件的串行通訊協議

3.1.1 PDU協議

PDU數據單元分為兩類：指令類PDU和數據類PDU。指令PDU用于在通訊設備之間傳輸控制信息和狀態信息；數據PDU用于在通訊設備之間傳輸采集數據。本協議PDU格式如下：

功能代碼子功能代碼(可選)參數數據

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，其電平定義為標準RS 232電平標準，上下位機通過RS 232串口實現通訊。

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與差錯控制服務。

幀處理服務分為兩種級別——數據幀服務和消息幀服務。數據幀服務控制數據幀的比特數，停止位數；消息幀服務提供消息幀頭和消息幀尾來封裝消息幀，以實現發送與接收的消息同步，正確界定消息幀。在本通訊協議中采用消息幀，用ASCII字符“：”標記消息幀頭，以連續的ASCII字符CR+LR標記消息幀尾。

LLC層還提供消息幀差錯控制服務：在本協議中采用LRC校驗算法。通訊時，發送方按LRC算法生成LRC校驗碼，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對消息進行封裝。接收方按LRC算法將接收到的LRC校驗碼與在本地運算得到的校驗碼進行對比，從而判斷接收到的數據的正確性。

3.1.4 ADU格式

上位機（PC機）與下位機通訊協議的ADU格式如下：

3.2 狀態表的制定

按照本協議，上位機對接收到的每一幀消息進行校驗。其中功能代碼，數據，LRC碼在一幀消息中處于一定的先后位置，有相應的動作（如保存，校核等）與之對應，可以視為不同的狀態，另外，消息幀頭、幀尾等也視為不同的狀態。而對于每一個接收的字符，可以視其為觸發信號。如當接收的數據幀中出現數字時，視其為DATA_SIG信號，當接收的數據幀中出現回車（CR）字符時，視其為CR_SIG信號等，從而通過不斷接收字符來觸發狀態的行為和轉移，使狀態機循環工作下去。在分析數據通訊協議的基礎上，通過抽象，可將每幀消息分為如表2所示幾個狀態及觸發信號。

在表2中頂行列出了信號（觸發或事件），最左邊一列是狀態。各網格的內容是轉換，他表示為{動作，下一狀態}。例如，在BEGIN狀態中，當接收到COLON_SIG信號時，將會調用DoClear（）這一函數，從而完成一些數據復位工作，同時，也觸發狀態到下一狀態——MAINCODE狀態。而對于其他觸發信號，狀態機狀態不變，仍在BEGIN狀態，且什么動作也不做。COLON_SIG信號對應數據幀的“：”字符，即當接收到“：”字符后，就向狀態機發出一COLON_SIG信號，使狀態機開始運行。而對接收的其他字符，在沒有收到“：”字符之前，協議要求不做處理。表中的其他動作解釋如下：

RecordType（） //記錄功能代碼，指令類代碼或數據類代碼

DataAdd（）//數據記錄

DoLRC（） //完成LRC校驗工作

DoFinish（）//數據檢驗完畢處理

ComRecord（）//記錄子功能代碼

RecordState（）//記錄數據通道狀態（正常或不正常）

DoError（）//數據幀出錯報告

3.3 狀態表的實現

上位機軟件用Visual C++ 6.0 編寫，C++語言基于面向對象編程（OOP）思想，而狀態機的核心機制是行為繼承，這與OOP模式很相似，超狀態的行為能很容易地被子狀態所繼承。鑒于此，可以利用C++的類來表現狀態行為，即將狀態行為嵌入到C++類中，從而在Visual C++平臺上可以很好地運行狀態機。本狀態表的實現就是利用這一機制，父類封裝了抽象的狀態轉換和當前狀態行為，子類實現具體的狀態行為和狀態轉換。詳見如下核心代碼。

表2 數據通訊協議棧處理狀態表

父類StatusClass 類核心代碼如下：

// 定義成員函數指針

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

// 定義內層結構轉換

struct Translate

{

Action action; // 抽象行為動作

unsigned nextStatus; // 抽象的下一動作

};

// 狀態行為和轉換

void StatusClass::dispatch(unsigned const sig)

{

register Translateconst *t=myTable+ myState* myNsignals+sig;// 查狀態表

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

myState=t->nextStatus;

}

// 無狀態行為的缺省動作

Void StatusClass::doNothing()

{

……

}

子類SubStatusClass 類核心代碼如下：

// 定義的信號

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

enum

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

// 初始化狀態機

void SubStatusClass::init()

{

……

}

// 狀態表，包含實際的狀態行為和狀態轉換

（此狀態表對應于表2所示狀態和行為）

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 狀態類的調用

筆者已經將狀態行為封裝至C++類當中，所以在程序中調用時只須定義一個StatusClass類的對象即可運行狀態機了。同樣，隨著對象的銷毀，狀態機的生命周期也就結束。在本軟件中，數據的通訊協議棧處理是在單獨一個線程（預處理線程）中完成的，而此線程的觸發依賴于數據的接收。故當有數據幀接收時便會使預處理線程恢復，從而啟動狀態機，實現對數據幀的校驗。狀態類調用核心代碼如下：

DWORD WINAPI

CMycomFirDlg::ProtocalThread(LPVOID lpParameter )

{

……

// 創建狀態類對象

SubStatusClassClassmyStatus;

// 初始化狀態機

myStatus.init();

……

// 狀態機入口

myStatus.DealChar（）

……

// 掛起預處理線程

SuspendThread(Protocal_handle);

}

4 結 語

實踐證明，將狀態機技術巧妙地運用于數據通訊協議棧處理程序中，收到了很好的效果，不但可以避免大量的Switch/Case語句，使程序簡潔，而且提高了程序的擴展性能，便于維護和修改。同時，由于狀態機的行為嵌入到了C++的類當中，可以視其為一個類，因而具有類的所有特征，可以被繼承，移植性能好，具有實用價值。

參考文獻

[1]魏先民.有限狀態機在嵌入式軟件中的應用[J].濰坊學報，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.

作者簡介 張臘明 男，1982年出生，湖南長沙人，大連理工大學機械學院碩士研究生。主要研究方向為機電控制。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。