狀態(tài)機思路在單片機程序設(shè)計中的應(yīng)用狀態(tài)機的概念狀態(tài)機是軟件

1、狀態(tài)機思路在單片機程序設(shè)計中的應(yīng)用狀態(tài)機的概念狀態(tài)機是軟件編程中的一個重要概念。比這個概念更重要的是對它的靈活應(yīng)用。在一個思路清晰而且高效的程序中，必然有狀態(tài)機的身影浮現(xiàn)。比如說一個按鍵命令解析程序，就可以被看做狀態(tài)機：本來在A 狀態(tài)下，觸發(fā)一個按鍵后切換到了狀態(tài)；再觸發(fā)另一個鍵后切換到C 狀態(tài)，或者返回到A 狀態(tài)。這就是最簡單的按鍵狀態(tài)機例子。實際的按鍵解析程序會比這更復(fù)雜些，但這不影響我們對狀態(tài)機的認識。進一步看，擊鍵動作本身也可以看做一個狀態(tài)機。一個細小的擊鍵動作包含了：釋放、抖動、閉合、抖動和重新釋放等狀態(tài)。同樣，一個串行通信的時序（不管它是遵循何種協(xié)議，標準串口也好、I2C 也好；也

2、不管它是有線的、還是紅外的、無線的）也都可以看做由一系列有限的狀態(tài)構(gòu)成。顯示掃描程序也是狀態(tài)機；通信命令解析程序也是狀態(tài)機；甚至連繼電器的吸合/ 釋放控制、發(fā)光管（LED）的亮 / 滅控制又何嘗不是個狀態(tài)機。B當(dāng)我們打開思路，把狀態(tài)機作為一種思想導(dǎo)入到程序中去時，就會找到解決問題的一條有效的捷徑。有時候用狀態(tài)機的思維去思考程序該干什么，比用控制流程的思維去思考，可能會更有效。這樣一來狀態(tài)機便有了更實際的功用。程序其實就是狀態(tài)機也許你還不理解上面這句話。請想想看，計算機的大廈不就是建立在 “0”和 “1”兩個基本狀態(tài)的地基之上么？狀態(tài)機的要素狀態(tài)機可歸納為 4 個要素，即現(xiàn)態(tài)、條件、動作、次態(tài)。

3、這樣的歸納，主要是出于對狀態(tài)機的內(nèi)在因果關(guān)系的考慮。 “現(xiàn)態(tài) ”和 “條件 ”是因， “動作 ”和“次態(tài) ”是果。詳解如下： 現(xiàn)態(tài)：是指當(dāng)前所處的狀態(tài)。 條件：又稱為 “事件 ”。當(dāng)一個條件被滿足，將會觸發(fā)一個動作，或者執(zhí)行一次狀態(tài)的遷移。 動作：條件滿足后執(zhí)行的動作。動作執(zhí)行完畢后，可以遷移到新的狀態(tài)，也可以仍舊保持原狀態(tài)。動作不是必需的，當(dāng)條件滿足后，也可以不執(zhí)行任何動作，直接遷移到新狀態(tài)。 次態(tài)：條件滿足后要遷往的新狀態(tài)。 “次態(tài) ”是相對于 “現(xiàn)態(tài) ”而言的， “次態(tài) ”一旦被激活，就轉(zhuǎn)變成新的 “現(xiàn)態(tài) ”了。如果我們進一步歸納，把 “現(xiàn)態(tài) ”和“次態(tài) ”統(tǒng)一起來，而把 “動作 ”忽略

4、（降格處理） ，則只剩下兩個最關(guān)鍵的要素，即：狀態(tài)、遷移條件。狀態(tài)機的表示方法有許多種，我們可以用文字、圖形或表格的形式來表示一個狀態(tài)機。純粹用文字描述是很低效的，所以就不介紹了。接下來先介紹圖形的方式。狀態(tài)遷移圖（ STD）狀態(tài)遷移圖（ STD），是一種描述系統(tǒng)的狀態(tài)、以及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系的圖形方式。狀態(tài)遷移圖的畫法有許多種，不過一般都大同小異。我們結(jié)合一個例子來說明一下它的畫法，如圖1 所示。(原文件名 :圖 1 狀態(tài)遷移圖 .jpg) 狀態(tài)框：用方框表示狀態(tài)，包括所謂的“現(xiàn)態(tài) ”和 “次態(tài) ”。 條件及遷移箭頭：用箭頭表示狀態(tài)遷移的方向，并在該箭頭上標注觸發(fā)條件。 節(jié)點圓圈：當(dāng)多個箭頭指向一

5、個狀態(tài)時，可以用節(jié)點符號（小圓圈）連接匯總。 動作框：用橢圓框表示。 附加條件判斷框：用六角菱形框表示。狀態(tài)遷移圖和我們常見的流程圖相比有著本質(zhì)的區(qū)別，具體體現(xiàn)為：在流程圖中，箭頭代表了程序指針的跳轉(zhuǎn)；而在狀態(tài)遷移圖中，箭頭代表的是狀態(tài)的改變。我們會發(fā)現(xiàn)，這種狀態(tài)遷移圖比普通程序流程圖更簡練、直觀、易懂。這正是我們需要達到的目的。PC狀態(tài)遷移表除了狀態(tài)遷移圖，我們還可以用表格的形式來表示狀態(tài)之間的關(guān)系。這種表一般稱為狀態(tài)遷移表。表 1 就是前面介紹的那張狀態(tài)遷移圖的另一種描述形式。(原文件名 :表 1 狀態(tài)遷移表 .jpg) 采用表格方式來描述狀態(tài)機，優(yōu)點是可容納更多的文字信息。例如，我們不但

6、可以在狀態(tài)遷移表中描述狀態(tài)的遷移關(guān)系，還可以把每個狀態(tài)的特征描述也包含在內(nèi)。 如果表格內(nèi)容較多，過于臃腫不利于閱讀，我們也可以將狀態(tài)遷移表進行拆分。經(jīng)過拆分后的表格根據(jù)其具體內(nèi)容，表格名稱也有所變化。 比如，我們可以把狀態(tài)特征和遷移關(guān)系分開列表。被單獨拆分出來的描述狀態(tài)特征的表格，也可以稱為 “狀態(tài)真值表 ”。這其中比較常見的就是把每個狀態(tài)的顯示內(nèi)容單獨列表。這種描述每個狀態(tài)顯示內(nèi)容的表稱之為 “顯示真值表 ”。同樣，我們把單獨表述基于按鍵的狀態(tài)遷移表稱為 “按鍵功能真值表 ”。另外，如果每一個狀態(tài)包含的信息量過多，我們也可以把每個狀態(tài)單獨列表。 由此可見，狀態(tài)遷移表作為狀態(tài)遷移圖的有益補充，

7、它的表現(xiàn)形式是靈活的。 狀態(tài)遷移表優(yōu)點是信息涵蓋面大，缺點是視覺上不夠直觀，因此它并不能取代狀態(tài)遷移圖。比較理想的是將圖形和表格結(jié)合應(yīng)用。用圖形展現(xiàn)宏觀，用表格說明細節(jié)。二者互為參照，相得益彰。用狀態(tài)機思路實現(xiàn)一個時鐘程序接下來，我將就狀態(tài)機的應(yīng)用，結(jié)合流程圖、狀態(tài)遷移圖和狀態(tài)遷移，舉一個實際例子。下面這張圖是一個時鐘程序的狀態(tài)遷移圖，如圖2 所示。(原文件名 :圖 2 時鐘程序狀態(tài)遷移圖.jpg)把這張圖稍做歸納，就可以得到它的另一種表現(xiàn)形式狀態(tài)遷移表，如表2 所示。(原文件名 :表 2 時鐘程序狀態(tài)遷移表.jpg)狀態(tài)機應(yīng)用的注意事項基于狀態(tài)機的程序調(diào)度機制，其應(yīng)用的難點并不在于對狀態(tài)機概

8、念的理解，而在于對系統(tǒng)工作狀態(tài)的合理劃分。初學(xué)者往往會把某個 “程序動作 ”當(dāng)作是一種 “狀態(tài) ”來處理。我稱之為 “偽態(tài) ”。那么如何區(qū)分 “動作 ”和“狀態(tài)”。本匠人的心得是看二者的本質(zhì)： “動作 ”是不穩(wěn)定的，即使沒有條件的觸發(fā)， “動作 ”一旦執(zhí)行完畢就結(jié)束了；而 “狀態(tài) ”是相對穩(wěn)定的，如果沒有外部條件的觸發(fā)，一個狀態(tài)會一直持續(xù)下去。初學(xué)者的另一種比較致命的錯誤，就是在狀態(tài)劃分時漏掉一些狀態(tài)。我稱之為“漏態(tài) ”?！皞螒B(tài) ”和“漏態(tài) ”這兩種錯誤的存在，將會導(dǎo)致程序結(jié)構(gòu)的渙散。因此要特別小心避免。更復(fù)雜的狀態(tài)機前面介紹的是一種簡單的狀態(tài)結(jié)構(gòu)。它只有一級，并且只有一維，如圖3 所示。(原

9、文件名 :圖 3 線性狀態(tài)機結(jié)構(gòu).jpg)如果有必要，我們可以建立更復(fù)雜的狀態(tài)機模型。1 多級狀態(tài)結(jié)構(gòu)狀態(tài)機可以是多級的。在分層的多級狀態(tài)機系統(tǒng)里面，一個“父狀態(tài) ”下可以劃分多個“子狀態(tài) ”，這些子狀態(tài)共同擁有上級父狀態(tài)的某些共性，同時又各自擁有自己的一些個性。在某些狀態(tài)下，還可以進一步劃分子狀態(tài)。比如，我們可以把前面的時鐘例子修改如下：把所有和時鐘功能有關(guān)的狀態(tài)，合并成1 個一級狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，又可以劃分出3 個二級子狀態(tài)，分別為顯示時間、設(shè)置小時、設(shè)置分鐘；同樣，我們也可以把所有和鬧鐘功能有關(guān)的狀態(tài)，合并成1 個一級狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，再劃分出4個二級子狀態(tài)，分別為顯示鬧鐘、設(shè)置“時

10、”、設(shè)置 “分”、設(shè)置鳴叫時間。我們需要用另一個狀態(tài)變量（寄存器）來表示這些子狀態(tài)。子狀態(tài)下面當(dāng)然還可以有更低一級的孫狀態(tài)（子子孫孫無窮盡也） ，從而將整個狀態(tài)體系變成了樹狀多級狀態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。(原文件名 :圖 4 樹狀多級狀態(tài)結(jié)構(gòu).jpg)2 多維狀態(tài)結(jié)構(gòu)狀態(tài)結(jié)構(gòu)也可以是多維的。從不同的角度對系統(tǒng)進行狀態(tài)的劃分，這些狀態(tài)的某些特性是交叉的。比如，在按照按鍵和顯示劃分狀態(tài)的同時，又按照系統(tǒng)的工作進程做出另一種狀態(tài)劃分。這兩種狀態(tài)劃分同時存在，相互交叉，從而構(gòu)成了二維的狀態(tài)結(jié)構(gòu)空間。舉一個這方面的例子，如：空調(diào)遙控器，如圖5 所示。(原文件名 :圖 5 多維狀態(tài)機結(jié)構(gòu).jpg)同樣，我們也可以構(gòu)建三維、四維甚至更多維的狀態(tài)結(jié)構(gòu)。每一維的狀態(tài)都需要用一個狀態(tài)變量（寄存器）來表示。無論多級狀態(tài)結(jié)構(gòu)和多維狀態(tài)結(jié)構(gòu)看上去多么迷人，匠人的忠告是：我們依然要盡可能地簡化狀態(tài)結(jié)構(gòu)，能用