引言

在 Arduino 开发中，delay() 和 loop() 轮询是新手标配，但面对多传感器、多执行器或复杂协议时，阻塞式代码会导致响应迟钝、逻辑混乱。引入 RTOS（如 FreeRTOS）又受限于内存和复杂度。此时，协作式状态机框架提供了一种轻量级、零开销的解决方案：它利用状态机建模任务，通过非抢占式调度器循环执行，实现多任务“伪并行”。

核心原理

1. 协作式调度 vs 抢占式调度

抢占式：由时钟中断强制切换任务，需保存/恢复上下文，资源开销大。
协作式：任务主动让出 CPU（如 yield()），调度器按顺序执行就绪任务。优点是实现简单、无竞态，缺点是任务必须快速返回，否则阻塞全局。

2. 状态机模型

每个任务是一个有限状态机（FSM），包含：

状态：用枚举或常量表示，如 IDLE, RUNNING, DONE。
事件：触发状态迁移的条件，如超时、传感器读数、外部中断。
动作：在状态内执行的非阻塞操作，如读取数据、控制引脚。

状态机通过 switch-case 或函数指针实现，每次调度只执行当前状态的一小段逻辑，然后返回，避免长时间占用 CPU。

3. 时间片管理

协作式调度器通常配合 millis() 或 micros() 实现时间片。每个任务记录上次执行时间，当 now - lastTime >= interval 时，才执行该任务的状态机。这样，即使任务未完成，也能按周期推进。

框架设计

我们构建一个轻量级任务管理器，支持注册任务、设置周期和状态机回调。

1. 数据结构

typedef struct {
  void (*init)(void);       // 初始化函数
  void (*run)(void);        // 状态机主函数
  uint32_t interval;        // 执行周期 (ms)
  uint32_t lastRun;         // 上次执行时间戳
  uint8_t state;            // 当前状态
  bool enabled;             // 是否启用
} Task_t;

2. 调度器核心

#define MAX_TASKS 5
Task_t tasks[MAX_TASKS];
uint8_t taskCount = 0;

void scheduler_init() {
  taskCount = 0;
}

bool add_task(void (*init)(void), void (*run)(void), uint32_t interval) {
  if (taskCount >= MAX_TASKS) return false;
  tasks[taskCount].init = init;
  tasks[taskCount].run = run;
  tasks[taskCount].interval = interval;
  tasks[taskCount].lastRun = 0;
  tasks[taskCount].state = 0;
  tasks[taskCount].enabled = true;
  if (init) init();
  taskCount++;
  return true;
}

void scheduler_run() {
  uint32_t now = millis();
  for (uint8_t i = 0; i < taskCount; i++) {
    if (tasks[i].enabled && (now - tasks[i].lastRun >= tasks[i].interval)) {
      tasks[i].lastRun = now;
      tasks[i].run();  // 非阻塞执行
    }
  }
}

3. 状态机宏定义

为了方便定义状态，我们使用宏：

#define STATE(task, s) ((task)->state = (s))
#define GET_STATE(task) ((task)->state)

完整示例：LED 闪烁 + 串口打印

我们创建两个任务：LED 每 500ms 翻转，串口每 1s 打印计数。

1. 任务函数

// 任务1：LED 闪烁
void led_init() {
  pinMode(13, OUTPUT);
}

void led_run() {
  static uint8_t ledState = 0;
  switch (GET_STATE(&tasks[0])) {
    case 0: // 点亮
      digitalWrite(13, HIGH);
      STATE(&tasks[0], 1);
      break;
    case 1: // 熄灭
      digitalWrite(13, LOW);
      STATE(&tasks[0], 0);
      break;
  }
}

// 任务2：串口打印
void serial_init() {
  Serial.begin(9600);
}

void serial_run() {
  static uint32_t counter = 0;
  switch (GET_STATE(&tasks[1])) {
    case 0:
      Serial.print("Count: ");
      Serial.println(counter++);
      STATE(&tasks[1], 1);
      break;
    case 1:
      // 等待下一个周期，无需操作
      STATE(&tasks[1], 0);
      break;
  }
}

2. 主程序

void setup() {
  scheduler_init();
  add_task(led_init, led_run, 500);   // 500ms 周期
  add_task(serial_init, serial_run, 1000); // 1s 周期
}

void loop() {
  scheduler_run();
  // 可添加其他非阻塞代码
}

进阶：状态机与事件驱动

实际项目中，状态机往往需要响应外部事件（如按键、传感器中断）。我们可以通过全局标志或队列传递事件。

volatile bool buttonPressed = false;

void buttonISR() {
  buttonPressed = true;
}

void button_task_run() {
  if (buttonPressed) {
    buttonPressed = false;
    // 处理事件，切换状态
    STATE(&tasks[2], 1);
  }
}

注意：ISR 中只置标志，不做耗时操作，避免破坏协作式调度。

注意事项

避免阻塞：任务内严禁使用 delay() 或长循环，否则会阻塞其他任务。若需等待，应使用状态机拆分。
共享变量：由于非抢占，任务间共享变量无需加锁，但需注意原子性（如 8 位变量安全，32 位可能需关中断）。
时间精度：millis() 有 1ms 误差，若需高精度，使用 micros() 或定时器中断。
任务数量：根据 RAM 限制，通常 5-10 个任务足够，过多会增加调度开销。
状态机设计：每个状态应快速执行，若需等待外部条件，可设计为“轮询-返回”模式。

总结

协作式状态机框架在 Arduino 上实现了轻量级多任务调度，既避免了 RTOS 的复杂度，又解决了裸机轮询的阻塞问题。通过状态机建模，代码结构清晰、易扩展，特别适合中小型嵌入式项目。掌握此框架，你将能优雅地处理并发逻辑，提升开发效率。

参考资料

Arduino 官方文档 millis()
《嵌入式实时操作系统 μC/OS-III》
开源项目：TaskScheduler 库

Arduino 协作式状态机框架：无操作系统的多任务调度实战

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