浅谈状态机

状态机（State Machine）是有限状态自动机的简称，是现实事物运行规则抽象而成的一个数学模型。简单来说，状态机主要是用来描述事物或者事物间的状态以及转换的，举个例子，现实的事物灯泡，一般来说只有两个状态：亮起和熄灭，灯泡的亮起和熄灭取决于开关这个事件，所以这个灯泡抽象成状态机应该是如下图所示：

这就引出了状态机中几个比较重要的概念：状态、事件、动作、转换。

状态就是事物所有可能处于的状态，如门有开关两个状态，一些昆虫有卵、幼虫、蛹和成虫四个状态等等。因为这里所讲的状态机指的就是有限状态机，所以抽象出来的事物的状态是有限的，而且在建模仿真的过程中，当前有且只有处于一个状态中。

事件则是会导致状态发生变化的一个动作，在上面的图中，open和close就是事件，分别表示打开和关闭开关。

动作就是事件产生后对应事物发生的变化或者进行的动作，当open事件产生之后，灯泡会接收到电流，然后根据电流的一系列效应，最终产生光照。

转换就是就是从一个状态变化到另一个状态的过程。

介绍完了状态机，接下来就是如何去搭建状态机，在这里我们以simulink为例。

首先，我们需要了解在建模软件中，仿真如何执行的。在仿真过程中，会使用到周期这一概念，将需要仿真的时间分割成多个周期，每个周期将所有的模型和状态机按照顺序执行一次，得到输出结果，如此循环直到到达仿真终止时间。下面展示simulink中状态机部分功能：

1. state：

状态机中最基础的模块，用于定义一个新的状态。

2. state模块的创建：

通过左侧工具栏的拖拽来创建一个state模块，模块初始状态如下图所示：

左上角的问号为state的名字，必须要设置才能有效，否则在运行的时候会报错。

3. junction连接点的创建：

通过左侧工具栏的拖拽来创建一个连接点，其样式如下图所示：

连接点目前来看用途是作为过渡连线的连接点来使用的，如下图所示：

这个图表示的是一个if判断的逻辑，在其中连接点起到逻辑分歧的作用。

4. transition过渡连线的创建：

特殊连线：default transition，连接在状态中则表示初始状态，连接在连接点上则表示逻辑起始点。一般过渡连线则表示逻辑流向或者状态迁移的方向。

5. box封装盒子的创建：

此模块只在前端有用，用于将同一类或者同一逻辑的模块封装成一个整体，视觉上较为整齐。

6. simulink function模型方法的创建（目前暂时无法实现）：

创建一个以simulink模型为方法，根据输入获取输出的模块，如下图所示：

在内部搭建完相应的模型之后，返回到状态机搭建这一层模型中，其就能自动增加名称，如下图所示：

但是也可以手动修改，基本只需要修改其方法名就可以了。下面的graphical function和matlab function分别是使用状态机相关连线以及连接点来搭建相应的function和使用matlab函数来实现相应的方法。如下图所示：

7. state模块的动作：

1）定义状态内的动作：有两种方式来实现，分别是使用过渡连线和连接点来进行逻辑流，和使用entry、during、exit来进行赋值和逻辑判断的操作，逻辑流能够实现if判断进而赋值，而使用语句的话则需要编写相关代码，这两者本质上是等价的，但是使用连线的方式可能可视化好一些。

2）设置内部子状态的运行方式：有两种方式，分别是AND模式和OR模式，当在state内部定义多个状态时，如果状态间是独立的话，AND模式下，子状态在同一时间只会触发一个，也就是说可能只会有一套子状态自始自终在运行着，而如果使用OR模式的话，在同一时间会有多套子状态同时运行，如下图所示：

在运行过程中，上面的Time子状态和下面的EnergyManager子状态会同时运行，并且simulink会根据其内部变量的依赖关系自动确定其运行顺序，以确保控制逻辑的正确。

3）设置内部子状态优先级：设置AND模式时，内部子状态运行的优先级，会影响运行顺序。

4）设置内部文字的字体大小：通过设置字号的形式来实现修改内部的文字的字号。

8. transition过渡连线的动作

1）设置迁移条件：通过在连线上使用[]来设置迁移条件，当满足迁移条件的时候，会从一个状态迁移到另一个状态。

2）设置迁移动作：通过在连线上使用{}来设置迁移动作，相当于状态中的entry，设置初始值。

3）设置优先级：在逻辑流中使用，用于实现if判断。

最后，向大家介绍一个形式化验证的代码生成工具ModelCoder，由迪捷软件自主研发，支持多种嵌入式系统建模并可以自动生成高安全可靠的C代码的软件设计和开发工具。对标产品有国外ANSYS公司的SCADE或者MathWorks公司的MATLAB/Simulink。ModelCoder支持同步数据流以及状态机等嵌入式模型，其从模型生成代码的过程经过了形式化验证，以保证生成过程的正确无误性，能够用于飞行控制系统，航空电子系统，核电的DCS等多个安全关键领域的嵌入式软件的设计和开发。ModelCoder支持的算法模型见下表：