由于售貨機的功能不斷增多，售貨機控制系統也相應得不斷變得龐大，這就使原來的面向過程的開發方法變得越來難以擴展和維護，根據自動狀態機的理論，提出一種在售貨機上的狀態機模型，該模型對系統狀態進行抽象和分離，建立了系統狀態表和狀態轉換表，是一種網狀的狀態機模型。根據系統事件和當前狀態來查找系統狀態轉換表，如果有匹配項，則進行狀態轉換。經過實驗表明，該模型能解決系統的代碼龐大問題，并且使系統開發變得易于維護。

1 概述

自動售貨機是一種全新的商業零售形式，20世紀70 年代自日本和歐美發展起來。現在，自動售貨機產業正在走向信息化并進一步實現合理化。例如實行聯機方式，通過GPRS 將自動售貨機內的庫存信息及時地傳送各營業點的電腦中，從而確保 了商品的發送、補充以及商品選定的順利進行。并且，為防止地球暖化，自動售貨機的開發致力于能源的節省，節能型清涼飲料自動售貨機成為該行業的主流。在夏季電力消費高峰時，這種機型的自動售貨機即使在關掉冷卻器的狀況下也能保持低溫，與以往的自動售貨機相比，它能夠節約10-15%的電力。進入21 世紀 時，自動售貨機也將進一步向節省資源和能源以及高功能化的方向發展。這就導致了售貨機的控制系統（VenclingMachine Controller,VMC）的復雜度大大增加。先前的基于匯編程序的VMC控制系統雖然效率高，但是存在著可擴展性差，程序結構性差，不易維護等缺點。因此本文提出了一種基于ARM7的新型VMC主板的有限狀態機的結構，對VMC 進行改進。本文所用的硬件環境為使能LPC2134 的ARM7 主板，有一個RS232 串口接GPRS 模塊，一個MDB 總線模塊，一個電機驅動模塊，外接一個顯示和按鍵模塊。

軟件方面采用的操作系統是ucosII操作系統，這是一種開源的實時多任務操作系統，在數據同步和互斥上提供了信號量，消息隊列，消息郵箱等功能，本文主要采用的是信號量和消息隊列。

總的來說，有限狀態機系統，是指在不同階段會呈現出不同的運行狀態的系統，這些狀態是有限的、不重疊的。這樣的系統在某一時刻一定會處于其所有狀態中的一個狀態，此時它接收一部分允許的輸入，產生一部分可能的響應，并且遷移到一部分可能的狀態。 一個有限狀態機（FSM）是一個五元組，M=（S,G,E,A,T）。

State（狀態），就是一個系統在其生命周期中某一時刻的運行情況，此時，系統會執行一些動作，或者等待一些外部輸入。

Guard（條件），狀態機對外部消息進行響應的時候，除了需要判斷當前的狀態，還要判斷跟這個狀態相關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機的行為。

Event（事件），就是在一定的時間和空間上發生的對系統有意義的事情。

Action（動作）， 當一個Event 被狀態機系統分發的時候，狀態機用Action（"動作"）來進行響應，比如修改一下變量的值、進行輸入輸出、產生另外一個Event或者遷移到另外一個狀態等等。

Transition（遷移）， 從一個狀態切換到另一個狀態被稱為Transition（"遷移"）。引起狀態遷移的事件被稱為triggering event （"觸發事件"），或者被簡稱為trigger（觸發）。

有限狀態機一般有2 種表示方式：狀態轉移表和狀態轉移圖。通常用有向圖來表示有限狀態機，其節點代表狀態。如圖1 所示，售貨機售貨流程一共分5 個狀態，每個狀態都是根據消息的不同來進行轉換。

圖1 自動售貨機中的狀態轉換圖：

2 實現方式

2.1 嵌套Switch方式

即先定義一個狀態和消息的枚舉，再通過嵌套的2層switch-case結構實現，外層switch-case結構判斷狀態，雖然這種方法結構簡單，便于理解，但是代碼冗長，不便維護，因此不建議在復雜雜的狀態機下運行。

2.2 狀態表方式

這種實現方法對第一種方法進行了改良，根據State,Event 做成二維表格，表格中的項表示Action和Transmission,狀態采用枚舉量。這種方法結構簡單，便于理解，代碼比較簡練，效率最高，但是代碼結構不是太好。

2.3 用函數指針作為狀態

這種方法用函數地址代替state 值，比較直觀，可以方便地增加entry/exit 操作，并且效率較高。

3 具體實現

綜合以上幾種方式，本文提出一種結合第二種和第三種方式的狀態機實現方式，即創立一個狀態表和一個狀態轉換表，其中狀態表中有exit,entry,default處理方法，當進入該狀態時，先執行entry方法，然后在狀態運行時執行default方法，退出狀態時執行exit方法，狀態之間的切換是通過狀態轉換表實現的，即首先狀態等待一個系統消息，如果在狀態轉換表中對應當前狀態和當前消息的項，則進行消息轉換，具體實現如下3.1 數據結構。

首先定義一個大小為10 的系統消息隊列用來接收外設和系統消息：

3.2 狀態轉換算法

先建立一個狀態轉換表， 建立一個FSM_STATE_TRAN 指針數組。即FSM_STATE_TRAN*fsm_tran[7];將每個狀態下的轉換項都存在該狀態下的鏈表中。

在有限狀態機中，狀態是通過系統消息和當前狀態來查找狀態轉換表，如果有對應的項則進行轉換，沒有則繼續當前狀態：算法如下：

4 模型分析

4.1 擴展性

為狀態機添加新狀態，只需在狀態表中添加新狀態及其處理方法，以及在狀態轉換表中添加該狀態的轉換方式。

4.2 查找算法分析

設總共有n個狀態，m個事件，每個狀態平均響應的事件為k.

由于在這里每個狀態都是互斥的，因此狀態轉換時的時間開銷主要是花費在查找狀態表上面，這里采用了基數排序查找的思想。因此主要查找開銷是每個狀態的狀態轉換個數。由于在售貨機中，每個狀態大概都只有3-4 個狀態轉換表。因此查找的時間復雜度比O（m）小。

5 結語

通過建立有限狀態機模型，并應用改進的數據結構與狀態轉換算法，自動售貨機控制器的程序結構更為清晰。原來存在于程序中的諸多標志變量，由狀態機的各個狀態所取代，使系統具有更好的擴展性；并且模型很好地利用了狀態的相關性，縮短了查找所花費的時間。應用于別的嵌入式系統也有較高的意義。