Генерация кода для конечных автоматов

Введение в конечные автоматы

Конечный автомат — это модель вычислений, которая последовательно переходит между различными состояниями на основе входных данных или событий. Конечный автомат включает в себя два подхода к построению моделей — машину состояний и граф переходов.

Библиотека конечных автоматов Engee является эффективным инструментом разработки таких пользовательских алгоритмов для целевых устройств, где необходимо использовать сложные конструкции условий, циклов и переключателей. Конечные автоматы применяются, например, при моделировании систем управления и изучения мультиагентных систем.

В библиотеку входит блок Chart, который позволяет описывать диаграммы состояний, графы переходов и их комбинации.

Внутри блока Chart имеются следующие элементы конечных автоматов:

Подробнее о конечных автоматах вы можете прочитать в документации, а также пройти учебный курс Конечные автоматы.

Особенности генерации кода для конечных автоматов

Engee поддерживает генерацию кода для блока Chart. В состояниях, действиях и условиях блока Chart генератором кода Engee поддерживаются следующие конструкции языка Julia:

оператор if-else/elseif;
оператор while;
оператор for;
арифметические операторы + и - (унарные и бинарные), *, /, %;
логические операторы &&, || и !;
операторы сравнения <, <=, >, >=, ==, != (поддерживаются только бинарные, с двумя операндами).

Поддерживаемые генератором кода Engee возможности блока Chart:

безусловные и условные переходы;
входные, локальные и выходные переменные типа v (представлен типом Float64 в Julia);
несколько несвязанных диаграмм состояний, графов переходов;
несколько инструкций, записанных в одну строку через разделитель (;) в теле действий переходов и в состояниях;
многострочные инструкции в состояниях;
группы операторов entry, during, exit, on;
сокращенные наименования групп операторов Chart (en, du, ex);
операторы темпоральной логики after, at, before, elapsed, et, every, t, temporalCount;
функции floor(Int64,…) и ceil(Int64,…).
комментирование в состояниях, теле условий и действий переходов;
поддержка механизма Backtracking (когда между состояниями есть промежуточные узлы);
поддержка механизма суперпереходов, когда переходы между состояниями пересекают границы блоков-состояний. Это могут быть переходы между:
- внешним состоянием и его вложенным состоянием, когда глубина вложенности больше единицы;
- вложенными состояниями двух различных внешних состояний, не вложенных друг в друга.
Также поддерживаются суперпереходы по умолчанию, когда суперпереход начинается не в родительском состоянии, а приходит снаружи родительского состояния.

Практическая часть. Мигающий светодиод на конечных автоматах

Описание модели

Рассмотрим модель для простейшей программы управления цифровым выходом микроконтроллера STM32F446RE с использованием вложенных состояний библиотеки конечных автоматов Engee.

Модель примера, stm32_blink.engee, состоит из двух блоков – блока Chart Blink и C Function GPIO_5_OUTPUT (LED).

Первый блок реализует управляющий алгоритм – изменение состояния Out на выходе блока, а второй блок инициализирует цифровой канал управления GPIO_5, соединенный с встроенным светодиодом отладочной платы NUCLEO-F446RE, и изменяет его состояние в ходе работы программы.

Диаграмма состояний, содержащаяся в блоке Chart, включает в себя следующие состояния:

Материнское состояние Period_and_Clock задает период импульсов FullTime (в шагах расчета модели) для мигания встроенного светодиода и инкрементирует счетчик периода CurrentTime.

Дочерние состояния:

HIGH – при значениях счетчика CurrentTime, меньших или равных половине периода импульса, формирует высокий уровень сигнала на выходе блока.
LOW – при значениях счетчика CurrentTime, больших половины периода импульса, формирует высокий уровень сигнала на выходе блока.

В случае равенства значения счетчика времени периода импульса счетчик сбрасывается в переходе между состояниями LOW и HIGH.

Запустим симуляцию модели и построим график сигнала Out – состояния встроенного светодиода:

Как видно из графика, на выходе управляющего алгоритма формируется периодический сигнал с заданной частотой и длительностью импульсов.

✏️Задание

Сгенерируйте Си-код для модели stm32_blink.engee:

Откройте модель stm32_blink.engee, находящуюся в папке данного курса.
В окне настроек модели проверьте, что во вкладке Генерация кода значение параметра Целевая платформа выбрано равным Си.
Сгенерируйте Си-код для модели. Для этого в интерактивном скрипте выполните следующую команду:

engee.generate_code( "$(@__DIR__)/stm32_blink.engee", "$(@__DIR__)/stm32_blink_code")

Решение

Файл main.c:

/* Code generated by Engee
 * Model name: stm32_blink.engee
 * Code generator: release-1.1.24
 * Date: Wed Sep 24 10:55:57 2025 GMT
 */

#include "stm32_blink.h"

void do_step(void)
{
	static bool OverrunFlag = false;

	/* Check for overrun */
	if (OverrunFlag) {
		return;
	}

	OverrunFlag = true;

	/* Step the model */
	stm32_blink_step();

	/* Indicate task complete */
	OverrunFlag = false;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
	(void) argc;
	(void) argv;

	/* Initialize model */
	stm32_blink_init();

	while (1) {
		/* Perform application tasks here */
	}

	/* Terminate model */
	stm32_blink_term();
	return 0;
}

Файл stm32_blink.c:

/* Code generated by Engee
 * Model name: stm32_blink.engee
 * Code generator: release-1.1.24
 * Date: Wed Sep 24 10:55:57 2025 GMT
 */

#include "stdint.h"
#include "math.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "stm32_blink.h"

/* Block states */
Ext_stm32_blink_S stm32_blink_S;
/* В этом коде можно объявить статические данные и функции */


typedef struct GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc_symbols_t {
	double PinState;
} GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc_symbols_t;

static void GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc_init() {
	//
	// Код, который будет исполняться на STM32F4
	//
	#ifdef STM32F4
	  //
	  // Включение тактирования периферии
	  //
	  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
	  //
	  // Определение переменных структуры инициализации GPIO
	  //
	  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct; // Именование структуры
	  GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_5; // Номер выходного пина
	  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; // Режим пина - выход
	  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP; // Активация подтягиванием
	  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_HIGH;  // Максимальная частота работы пина (50-200 МГц)
	  //
	  // Инициализация GPIO с заданной структурой инициализации
	  //
	  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);
	#else
	    //
	    // Код, который будет исполняться при моделировании
	    //
	#endif
}

static void GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc(GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc_symbols_t* cfunc_symbols) {
	double PinState = cfunc_symbols->PinState;
	//
	// Код, который будет исполняться на STM32F4
	    //
	#ifdef STM32F4
	    //
	    // Запись в пин GPIO_PIN_5 состояния PinState - вход блока
	    //
	    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_5, PinState);
	#else 
	    //
	    // Код, который будет исполняться при моделировании
	    //
	#endif
}

static void GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc_term() {
	//
	// Код, который будет исполняться на STM32F4
	//
	#ifdef STM32F4
	#else 
	    //
	    // Код, который будет исполняться при моделировании
	    //
	#endif
}


/* Model initialize function */
void stm32_blink_init() {
	stm32_blink_S.Blink.output.Out = 0.0;
	stm32_blink_S.Blink.local.FullTime = 0.0;
	stm32_blink_S.Blink.local.CurrentTime = 0.0;
	memset(&stm32_blink_S.Blink.state, 0, sizeof(stm32_blink_S.Blink.state));
	GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc_init();
}

/* Model terminate function */
void stm32_blink_term() {
	GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc_term();
}

/* Model step function */
void stm32_blink_step() {

	/* Chart: /Blink incorporates:
	 */
	double Blink;                          /* /Blink */
	{
		int Blink_selector;
		if (!stm32_blink_S.Blink.state.active /* Chart is not initialized */) {
			stm32_blink_S.Blink.state.active = true;
			if (!stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.active /* state Period_and_Clock is not active */) {
				stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.active = true; /* activate state Period_and_Clock */
				stm32_blink_S.Blink.local.FullTime = 200L;
			}
			Blink_selector = 11;
		}
		else if (stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.active /* state Period_and_Clock is active */) {
			stm32_blink_S.Blink.local.CurrentTime = stm32_blink_S.Blink.local.CurrentTime + (double)1L;
			if (stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.LOW.active /* state Period_and_Clock.LOW is active */) {
				if (stm32_blink_S.Blink.local.CurrentTime == stm32_blink_S.Blink.local.FullTime) {
					stm32_blink_S.Blink.local.CurrentTime = 0L;
					stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.LOW.active = false; /* deactivate state Period_and_Clock.LOW */
					if (!stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.HIGH.active /* state Period_and_Clock.HIGH is not active */) {
						stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.HIGH.active = true; /* activate state Period_and_Clock.HIGH */
						stm32_blink_S.Blink.output.Out = 1L;
					}
					Blink_selector = 36;
				}
				else {
					goto Blink_done;
				}
			}
			else if (stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.HIGH.active /* state Period_and_Clock.HIGH is active */) {
				if (stm32_blink_S.Blink.local.CurrentTime > stm32_blink_S.Blink.local.FullTime / (double)2L) {
					stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.HIGH.active = false; /* deactivate state Period_and_Clock.HIGH */
					if (!stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.LOW.active /* state Period_and_Clock.LOW is not active */) {
						stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.LOW.active = true; /* activate state Period_and_Clock.LOW */
						stm32_blink_S.Blink.output.Out = 0L;
					}
					Blink_selector = 49;
				}
				else {
					goto Blink_done;
				}
			}
			else {
				goto Blink_done;
			}
		}
		else {
			goto Blink_done;
		}
		switch (Blink_selector) {
			case 49:
			{
				goto Blink_done;
				break;
			}
			case 36:
			{
				goto Blink_done;
				break;
			}
			case 11:
			{
				stm32_blink_S.Blink.state.Period_and_Clock.HIGH.active = true; /* activate state Period_and_Clock.HIGH */
				stm32_blink_S.Blink.output.Out = 1L;
				goto Blink_done;
				break;
			}
		}
Blink_done:
		/* Blink's output variables: */
		Blink = stm32_blink_S.Blink.output.Out;

	}
	/* CFunction: /GPIO_5_OUTPUT (LED) incorporates:
	 *  Chart: /Blink
	 */
	GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc_symbols_t GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc_symbols = {
		Blink,
	};
	GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc(&GPIO_5_OUTPUTLED_cfunc_symbols);

}

Файл stm32_blink.h:

/* Code generated by Engee
 * Model name: stm32_blink.engee
 * Code generator: release-1.1.24
 * Date: Wed Sep 24 10:55:57 2025 GMT
 */

#ifndef HEADER_stm32_blink_h
#define HEADER_stm32_blink_h

#include <stddef.h>
#include <stdint.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdbool.h>
#include <math.h>
#include <float.h>
#include <limits.h>
#include <string.h>

#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
#endif /* __cplusplus */

typedef struct {
	struct {
		struct {
			double FullTime;                        /* /Blink */
			double CurrentTime;                     /* /Blink */
		} local;
		struct {
			double Out;                             /* /Blink */
		} output;
		struct {
			struct {
				struct {
					bool active;
				} LOW;
				struct {
					bool active;
				} HIGH;
				bool active;
			} Period_and_Clock;
			bool active;
		} state;
	} Blink;
} Ext_stm32_blink_S;

/* Block states */
extern Ext_stm32_blink_S stm32_blink_S;

/* Model entry point functions */
extern void stm32_blink_init();
extern void stm32_blink_step();
extern void stm32_blink_term();

/* Here is the system hierarchy for this model:
 *
 * 'stm32_blink' : '/'
 */

#ifdef __cplusplus
} /* extern "C" */
#endif /* __cplusplus */

#endif /* HEADER_stm32_blink_h */

Сборка проекта

Созданные в папке stm32_blink_code файлы – заголовочный stm32_blink.h и исходный stm32_blink.c будут использованы далее при сборке проекта.

Среда разработки, через которую ведется сборка проекта и его загрузка в целевое устройство, – VS Code с надстройкой PlatformIO. При работе с STM32 в этом примере также используется платформа ST STM32 и фреймворк STM32Cube для PlatformIO. Файл конфигурации проекта PlatformIO platformio.ini содержит следующие настройки:

[env:nucleo_f446re]
platform = ststm32
board = nucleo_f446re
framework = stm32cube

После создания нового проекта нужно добавить в него сгенерированные в Engee файлы и файл с кодом основной программы main.c (добавлен в папку примера):

После этого можно перейти к сборке проекта и загрузке программы.

Выполнение модели на STM

Подключим отладочную плату NUCLEO-F446RE к USB-порту компьютера, после чего в PlatformIO можем наблюдать подключенное устройство. Для корректной идентификации подключения этой платы требуется драйвер ST-Link V2.

После успешного подключения можно перейти к сборке проекта: "PLATFORMIO -> PROJECT TASKS -> nucleo_f446re -> General -> Build". При отсутствии ошибок сборки загрузим скомпилированный код в микроконтроллер: "PLATFORMIO -> PROJECT TASKS -> nucleo_f446re -> General -> Upload".

В результате загрузки программы на отладочной плате можно наблюдать мигание светодиода с частотой 0,5 Гц.

Для демонстрации в примере к соответствующему выводу микроконтроллера был подключен цифровой осциллограф Hantec DSO, осциллограмма выведена в последовательный порт компьютера с помощью оболочки DSO Analyzer. Как можно видеть на рисунке, полученный сигнал имеет заданную в модели периодичность и длительность импульса.

Тест для получения сертификата

Пройти тест по разделу >>

Генерация кода в Engee

Генерация кода для конечных автоматов

Введение в конечные автоматы

Особенности генерации кода для конечных автоматов

Практическая часть. Мигающий светодиод на конечных автоматах

Описание модели

✏️Задание

Решение

Сборка проекта

Выполнение модели на STM

Тест для получения сертификата

Тип

Краткое описание

Связанные материалы

Теги

Категории

Языки

Форматы

Уровень

Статус

Опубликовано

Обновлено

Источник