FreeRtos——9、状态机（FSM）与面向对象在 RTOS 中的使用

前言

在掌握了任务、通信、内存和时序之后，你已经拥有了所有的"部件"。但如何将这些零件组装成一辆能跑十年的"赛车"，而不是一堆随时会散架的"部件"？

这需要我们从工程思维 跃迁到系统思维 。在 RTOS 中，最优雅的写法是：外层靠 RTOS 调度，内层靠状态机驱动，封装靠面向对象。利用 C 语言实现"面向对象"的封装，并在 Task 内部植入状态机（FSM），实现真正的模块化、可复用架构。

1. 为什么任务代码越来越难维护？

硬编码： 任务里直接操作 hspi1 或 huart2，导致代码无法复用到另一路外设。
状态混乱： 靠大量的 bool 变量（is_connected, is_running）来维持逻辑，极易进入非法状态。
扩展性差： 想给任务加一个新功能，得改动几十处 if-else

2. C 语言的 OOP 三要素

2.1 属性封装（封装）

利用 struct 把任务所需的资源句柄 （队列、信号量）、状态变量 、配置参数打包在一起。

2.2 行为模拟（多态/继承）

利用函数指针。不同的实例可以指向不同的处理函数。

2.3 任务实例（实例化）

在 osThreadNew 创建任务时，通过最后一个 void *argument 参数，将整个结构体对象的地址（即 this 指针）传进去。

3. 封装一个"电机控制对象"

假设我们要管理多个不同的传感器（如 LSM6DSL 和温湿度传感器），它们都遵循"初始化 -> 采样 -> 报警"的逻辑。

3.1 对象类定义 (SensorObj.h)

cpp 复制代码

// 定义传感器状态
typedef enum { SENSOR_INIT, SENSOR_IDLE, SENSOR_SAMPLING, SENSOR_ERROR } SensorState_t;

// 定义对象结构体
struct SensorObj; // 前向声明

typedef struct SensorObj {
    char name[16];
    SensorState_t state;
    osMessageQueueId_t cmdQueue;

    // 虚拟方法：具体的硬件读写由外部实现
    int (*init_hw)(struct SensorObj *self);
    int (*read_data)(struct SensorObj *self, float *val);

    // 私有数据（模拟私有属性）
    void *hw_handle; 
    float last_value;
} SensorObj_t;

3.2 任务实体：状态机驱动 (SensorObj.c)

cpp 复制代码

void SensorTaskEntry(void *argument) {
    SensorObj_t *this = (SensorObj_t *)argument; // 获取"对象实例"
    uint32_t msg;

    for(;;) {
        // 1. 处理异步指令
        if (osMessageQueueGet(this->cmdQueue, &msg, NULL, 0) == osOK) {
            // 根据消息切换状态...
        }

        // 2. 状态机执行
        switch (this->state) {
            case SENSOR_INIT:
                if (this->init_hw(this) == 0) this->state = SENSOR_SAMPLING;
                else this->state = SENSOR_ERROR;
                break;

            case SENSOR_SAMPLING:
                this->read_data(this, &this->last_value);
                // 逻辑处理：如果超过阈值则报警...
                break;

            case SENSOR_ERROR:
                // 错误处理逻辑
                break;
        }
        osDelay(100); // 采样频率 10Hz
    }
}

3.3 实例化：如何复用同一套代码

cpp 复制代码

// 具体的硬件初始化实现
int LSM6DSL_Init(SensorObj_t *self) { /* 调用 HAL_I2C_... */ return 0; }
int LSM6DSL_Read(SensorObj_t *self, float *v) { /* ... */ return 0; }

void App_Init(void) {
    static SensorObj_t acc_sensor;

    // 像 C++ 一样"构造"对象
    strncpy(acc_sensor.name, "Accel", 16);
    acc_sensor.hw_handle = &hi2c1;
    acc_sensor.init_hw = LSM6DSL_Init;
    acc_sensor.read_data = LSM6DSL_Read;
    acc_sensor.cmdQueue = osMessageQueueNew(4, sizeof(uint32_t), NULL);
    acc_sensor.state = SENSOR_INIT;

    // 关键：创建任务时把对象地址传进去
    osThreadNew(SensorTaskEntry, &acc_sensor, NULL);
}

4. 为什么状态机（FSM）是 RTOS 的黄金搭档？

在 RTOS 任务中，如果你的业务逻辑是"同步"的（比如 Send -> WaitResp -> Process），一旦 WaitResp 时间太长，你必须使用阻塞 API（如信号量）。

但如果你使用了状态机 ，你可以把 WaitResp 变成一个状态。任务在 WaitResp 状态下每 10ms 检查一次标志位，不满足就立刻 osDelay 退出。这让你的任务变得极度可控，你甚至可以在同一个任务里跑多个状态机，实现极高的并发效率。

5. 一句话总结

用结构体封装属性，用函数指针定义行为，用 void *argument 实现实例化。这套"三合一"架构能让你的 RTOS 代码从"能跑"变成"工业级产品"。