有限狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)編程中的應(yīng)用

學(xué)習(xí)筆記有限狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)編程中的應(yīng)用在單片機(jī)編程中，如果在不使用操作系統(tǒng)的情況下同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，可能會(huì)遇到下面這些情況:一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致其他任務(wù)無(wú)法及時(shí)執(zhí)行在一些任務(wù)中大量使用delay()等函數(shù)進(jìn)行軟件延時(shí)，這些延時(shí)函數(shù)占用過(guò)多時(shí)間，影響其他任務(wù)的執(zhí)行一些復(fù)雜任務(wù)的程序邏輯不清晰，不便于以后對(duì)程序進(jìn)行維護(hù)，或添加新功能本文介紹的有限狀態(tài)機(jī)，可以做到將一個(gè)耗時(shí)較長(zhǎng)的復(fù)雜任務(wù)分解為多個(gè)簡(jiǎn)單任務(wù)，同時(shí)使代碼邏輯更加清晰，從而解決上述問(wèn)題。目錄：什么是有限狀態(tài)機(jī)有限狀態(tài)機(jī)的作用2.1分解耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的任務(wù)2.2避免軟件延時(shí)對(duì)CPU資源造成浪費(fèi)2.3使程序邏輯更加清晰有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)3.1通過(guò)switch-casel吾句實(shí)現(xiàn)3.2通過(guò)Arduino庫(kù)實(shí)現(xiàn)3.3其他方式示例一：按鍵去抖動(dòng)程序的優(yōu)化4.1傳統(tǒng)的按鍵去抖動(dòng)程序4.2優(yōu)化后的按鍵去抖動(dòng)程序示例二：通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的鬧鐘程序后記什么是有限狀態(tài)機(jī)根據(jù)維基百科上的定義，有限狀態(tài)機(jī)(finite-statemachine,FSM簡(jiǎn)稱狀態(tài)機(jī))是表示有限個(gè)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為的數(shù)學(xué)模型。1為了理解這句話，假設(shè)自己還有三天就要考試，這時(shí)候就要進(jìn)入緊張的備考狀態(tài)，將空閑時(shí)間用復(fù)習(xí)上。但是，為了保證足夠的精力，小睡一會(huì)兒也是十分有必要的。那么，什么時(shí)候復(fù)習(xí)，什么時(shí)候睡覺(jué)呢？可以這樣描述：在復(fù)習(xí)的時(shí)候：如果感到瞌睡，則睡覺(jué)如果沒(méi)有感覺(jué)到瞌睡，則繼續(xù)復(fù)習(xí)在小睡的時(shí)候：如果感覺(jué)不再瞌睡，則開(kāi)始復(fù)習(xí)如果感覺(jué)依舊瞌睡，則繼續(xù)睡覺(jué)也可通過(guò)一幅簡(jiǎn)單的示意圖（也叫「狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖」）表示出來(lái)：感覺(jué)清醒這個(gè)例子其實(shí)就是一個(gè)簡(jiǎn)單的有限狀態(tài)機(jī)，其中，復(fù)習(xí)和小睡是兩個(gè)狀態(tài)，感覺(jué)瞌睡和感覺(jué)清醒這兩個(gè)條件可以使?fàn)顟B(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換。2另外，ProgrammingBasics3網(wǎng)站上也提供了狀態(tài)機(jī)相關(guān)的教程，用形象化的圖片解釋了什么是有限狀態(tài)機(jī)，可通過(guò)此鏈接訪問(wèn)在嵌入式程序設(shè)計(jì)中，如果一個(gè)系統(tǒng)需要處理一系列連續(xù)發(fā)生的任務(wù)，或在不同的模式下對(duì)輸入進(jìn)行不同的處理，常常使用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。例如測(cè)量、監(jiān)測(cè)、控制等控制邏輯型應(yīng)用。4

有限狀態(tài)機(jī)的作用2.1分解耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)的任務(wù)大家應(yīng)該都知道，CPU沒(méi)有并行執(zhí)行任務(wù)的能力。計(jì)算機(jī)「同時(shí)」運(yùn)行多個(gè)程序，其實(shí)是多個(gè)程序依次交替執(zhí)行，給人以程序同時(shí)運(yùn)行的錯(cuò)覺(jué)。各個(gè)程序在什么時(shí)候開(kāi)始執(zhí)行，執(zhí)行多長(zhǎng)時(shí)間后切換到下一個(gè)程序，由操作系統(tǒng)決定。單片機(jī)執(zhí)行多任務(wù)也是類似的過(guò)程，但由于其資源有限，為了節(jié)省對(duì)CPU和存儲(chǔ)空間的占用，在很多情況下沒(méi)有使用操作系統(tǒng)。這時(shí)，單片機(jī)中運(yùn)行的各個(gè)任務(wù)必須在一定時(shí)間內(nèi)主動(dòng)執(zhí)行完畢，才能保證下一個(gè)任務(wù)能夠及時(shí)執(zhí)行對(duì)于一些需要長(zhǎng)時(shí)間執(zhí)行的任務(wù)，例如按鍵去除抖動(dòng)、讀取和播放MP3文件等，采用有限狀態(tài)機(jī)的方式，將任務(wù)劃分為多個(gè)小的步驟（狀態(tài)），每次只執(zhí)行其中的一步。這樣，其他任務(wù)就有機(jī)會(huì)「插入」到這個(gè)任務(wù)之中，確保了各個(gè)任務(wù)都能按時(shí)執(zhí)行。任務(wù)B任務(wù)B任務(wù)A任務(wù)女我要執(zhí)行一件審斐的事，能否始我讓出點(diǎn)時(shí)間？任努A：不行，我還沒(méi)執(zhí)行完。任務(wù)A未使用狀態(tài)機(jī)，其他任會(huì)不能及時(shí)執(zhí)行任務(wù)史我要執(zhí)行一件審耍的事'能杏給我讓出點(diǎn)時(shí)間?任封A：好的.我很快就會(huì)把我的第一部分執(zhí)行完，剩下的時(shí)間伽來(lái)執(zhí)行，然后我在執(zhí)行我的其余部分任務(wù)Afill分為三個(gè)狀態(tài)，其他任務(wù)可以及時(shí)執(zhí)行

2.2避免軟件延時(shí)對(duì)CPU資源造成浪費(fèi)對(duì)于一些簡(jiǎn)單的程序，可通過(guò)delay(),delay_ms(之類的函數(shù)進(jìn)行軟件延時(shí)。這些延時(shí)函數(shù)，一般是通過(guò)將某個(gè)變量循環(huán)遞加或遞加，到達(dá)一定值后跳出循環(huán)，從而通過(guò)消耗CPU時(shí)間實(shí)現(xiàn)了延時(shí)這種方式雖然簡(jiǎn)單，但在延時(shí)函數(shù)執(zhí)行的過(guò)程中，其他程序無(wú)法運(yùn)行，消耗了大量CPU資源。而通過(guò)狀態(tài)機(jī)，有助于減少軟件延時(shí)的使用，提高CPU利用率任務(wù)此第一部分延時(shí)函數(shù)占用

大量時(shí)間任務(wù)A;第任務(wù)此第一部分延時(shí)函數(shù)占用

大量時(shí)間任務(wù)A;第二部分滿足適當(dāng)?shù)臈l件時(shí).發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換未使用狀態(tài)機(jī)

軟件延時(shí)占用了較多時(shí)間使用狀態(tài)機(jī)需要延時(shí)的時(shí)間可以讓其他任務(wù)執(zhí)行請(qǐng)參考下文中的示例一：按鍵去抖動(dòng)程序的優(yōu)化，這一例子展示了如何通過(guò)軟件延時(shí)分解耗時(shí)較長(zhǎng)的任務(wù)，同時(shí)減少軟件延時(shí)的使用。2.3使程序邏輯更加清晰通過(guò)狀態(tài)機(jī)，將一個(gè)復(fù)雜任務(wù)劃分為多個(gè)狀態(tài)，可以使程序清晰易懂，便于維護(hù)。以后想要添加、刪除程序中的功能，都會(huì)變得非常容易。

113ELLLELIJIllimiLCUULE113ELLLELIJIllimiLCUULE……functionf)…… case…else...switchu—gbtD一2……define頃"return fun2() 5倉(cāng)…“ ■*扣w.if .else....，…，^..functian()…… LlddSswitch define.return fun2() ^case - els已....….if,gfurKtion()心if,gfurKtion()心程序諾輯不清晰 程序邏輯清晰下文中的示例二：通過(guò)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的鬧鐘展示了如何通過(guò)狀態(tài)機(jī)優(yōu)化程序邏輯。有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)如果使用C語(yǔ)言，switch-case吾句，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)。3.1通過(guò)switch-case語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)如果使用C語(yǔ)言，switch-case吾句，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)。/*通過(guò)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的某個(gè)任務(wù)，*需要放入while(1)等地方循環(huán)執(zhí)行*/switch(currentStatus)/*根據(jù)現(xiàn)在的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的程序*/^3cOSe^?A?US_A^^狀^^*^^^^^^^^^^^^BdoThingsForStatusA();/*執(zhí)行狀態(tài)A中需要執(zhí)行的任務(wù)*/*若滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，則轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)*/if(condition_1X^urreniSiatus^^TATUEaB^^^^^^^^^Mbreak;doThingsForStatusB();/*執(zhí)行狀態(tài)B中需要執(zhí)行的任務(wù)*/*若滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，則轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)*/if(condition_2){currentStatus=STATUE_C;^^^^^^^^^^if(conditipn_3){^urrenSiatus^^TATUE_A^^^^^^^^^Ibreak;doThingsForStatusB();/*執(zhí)行狀態(tài)B中需要執(zhí)行的任務(wù)*/*若滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，則轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)*/if(condition_4)^urrenSatus^^TATUE_Ai^^^^^^^^^lbreak;default:通過(guò)這段程序，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有三個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖所示:3.2通過(guò)Arduino庫(kù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于Arduino用戶，還可以使用FSMLibrary實(shí)現(xiàn)。這一庫(kù)將有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了封裝，可以以更簡(jiǎn)潔的方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)。下載地址及使用說(shuō)明：http://playground.arduino.cc/Code/FiniteStateMachine3.3其他方式對(duì)于一些更復(fù)雜的任務(wù)，使用switch-case語(yǔ)句，代碼可能會(huì)太簡(jiǎn)潔。這時(shí)候，使用其他方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，可能會(huì)更好。具體請(qǐng)查閱相關(guān)資料。示例一：按鍵去抖動(dòng)程序的優(yōu)化4.1傳統(tǒng)的按鍵去抖動(dòng)程序初學(xué)單片機(jī)時(shí)，我們接觸的按鍵去抖動(dòng)程序一般是這樣的5

技鍵技下?延時(shí)函數(shù)占用時(shí)回較長(zhǎng)執(zhí)行按下按擢后需要執(zhí)行的程序結(jié)束從流程圖中可知，delayms()延時(shí)函數(shù)和最后的等待按鍵釋放的程序，會(huì)占用過(guò)多時(shí)間。4.2技鍵技下?延時(shí)函數(shù)占用時(shí)回較長(zhǎng)執(zhí)行按下按擢后需要執(zhí)行的程序結(jié)束從流程圖中可知，delayms()延時(shí)函數(shù)和最后的等待按鍵釋放的程序，會(huì)占用過(guò)多時(shí)間。4.2優(yōu)化后的按鍵去抖動(dòng)程序?qū)?yīng)的流程圖如下:if(key1==0)//再次檢測(cè)按鍵1，如果依舊按下{doSomething();//此時(shí)說(shuō)明按鍵1已按下，執(zhí)行按鍵1需要執(zhí)行的任務(wù)while(!key1);//等待按鍵釋放}此封CPU—直在等待按禎粹放,如果不翔州CPU就無(wú)法執(zhí)行其他任務(wù)延時(shí)10ms如果按譴依舊按下如果使用有限狀態(tài)機(jī)的思路，可以按照下圖方式實(shí)現(xiàn):該狀態(tài)機(jī)有三個(gè)狀態(tài)，分別是按鍵未按下，等待，按鍵按下。當(dāng)按鍵按下時(shí)，則會(huì)進(jìn)入等待狀態(tài)，若在等待狀態(tài)中按鍵一直保持按下，說(shuō)明按鍵已經(jīng)穩(wěn)定地按下，進(jìn)入按鍵按下的狀態(tài)，等待按鍵釋放。程序代碼如下：/其他情況返回not_pressedkeyState=KEY_STATE_RELEASE;其他情況返回not_pressedkeyState=KEY_STATE_RELEASE;returnN#defineKEY_STATE_RELEASE //鍵未按#defineKEY_STATE_WAITING //等待（消抖＜^^[^^^^^^^^^|「defineKEY_STATE_PRESSED //按鍵按下（等待釋放/*等待狀態(tài)持續(xù)時(shí)間*需要根據(jù)單片機(jī)速度和按鍵消抖程序被調(diào)用的速度來(lái)進(jìn)行調(diào)整*//*按鍵檢測(cè)函數(shù)的返回值，按下為1，未按下為0*/#definePRESSED1「defineNOT_PREsSEdO^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^B/*按鍵掃描程序所處的狀態(tài)|*初始狀態(tài)為：按鍵按下Tey_staTE_RELEASET^^^^^^^^^J*/Uint8_tkeyState=KEY_STATE_RELeASE^^^^^^^^^^^^^^^M/*按鍵檢測(cè)函數(shù)，通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)*函數(shù)在從等待狀態(tài)轉(zhuǎn)換到按鍵按下?tīng)顟B(tài)時(shí)返回PRESSED，代表按鍵已被觸發(fā)*/{staticuint8_tduration;//用于在等待狀態(tài)中計(jì)數(shù)switch(keyState)H^CaSe^|x_^^TE_RELEA^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^HifreadKey()==1) /7^果按鍵按下^^eySSBS|_S?A?S_WA!S^^換至下一個(gè)狀return^O?_mSi5^^^回:按鍵未按break;if(readKey()==1) //如果按鍵按下duriation++;{ //說(shuō)明沒(méi)有抖動(dòng)了，可以確定按鍵已按下duriation=0;keyState=k￡Y_SJATE_PRESSED;//轉(zhuǎn)換至下一個(gè)狀態(tài)returnPRESSED;^^IS^^果此時(shí)按鍵松{ //可能存在抖動(dòng)或干擾duriation=0;//清零的目的是便于下次重新計(jì)數(shù)break;caseif(readKey()==0) //如果按鍵松開(kāi){松開(kāi)的狀returnNOT_PRESSED，break;default:該程序也可經(jīng)過(guò)擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)判斷按鍵雙擊、長(zhǎng)按等功能。只需增加相應(yīng)的狀態(tài)和轉(zhuǎn)移條件即可。示例二：通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的鬧鐘程序最近正在制作一個(gè)鬧鐘。這個(gè)鬧鐘支持播放MP3格式的鬧鐘聲6,支持貪睡模式，同時(shí)還有一些功能打算以后再添加上。為了使程序邏輯更加清晰，也為了更方便地添加新功能，我打算采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。相關(guān)程序如下:^nZiude<USART1.h"^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^Minclude"diag/Trace.h"*相關(guān)常量定義 displayMessege()用于在顯示屏上顯示相關(guān)的提示信息 displayMessege()用于在顯示屏上顯示相關(guān)的提示信息*/用嘉。MESSEGE_SET_ALARM_TIME (0)//提示：設(shè)置鬧鐘時(shí)間{ //如果打開(kāi)了鬧鐘alarmState=PLAY_ALARM_MUSIC;//進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài)：播放鬧鐘音樂(lè)成fineALARM_MUSlC_END0 //鬧鐘音樂(lè)播放完畢用efineFORMAT_OK 0 〃格式正確用efineFORMAT_ERROR (-1) //格式錯(cuò)誤*輸入信息定義*作為函數(shù)的返回值供函數(shù)getInput()使用getInput()將獲取并返回鍵盤(pán)或觸摸屏等設(shè)備中輸入的控制命令或鬧鐘時(shí)間值*/用efineINPUT_CANCEL (-2) //輸入了「取消」命令用efineINPUT_SNOOZE (-3) //輸入了「小睡」命令用efineINPUT_ALARM_ON(-4) //輸入了「打開(kāi)鬧鐘」"命用efineNO_INPUT (-10)//沒(méi)有輸X^J^^^^^^^^^^B*輸出信息定義*作為為函數(shù)的參數(shù)供函數(shù)displayMessege()使用

defineMESSEGE_CLEAR (1)//提示：已取消，defineMESSEGE_GET_UP (5)//提示:節(jié)起床了/*鬧鐘的狀態(tài)*/enumalarmStates{鬧鐘關(guān)閉1//默認(rèn)狀態(tài)：鬧鐘關(guān)閉/*相關(guān)函數(shù)的定義*/int16_tgetInput(void);|1nt8_tcheckSnoozeFormat(int16_t);**鬧鐘主程序，需要放入while(1)中循環(huán)調(diào)用/oidalarmApp(void)，//輸入值暫存在這個(gè)變量中switch(alarmState)//獲取鬧鐘狀態(tài)，下面程序?qū)⒏鶕?jù)鬧鐘的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)/*狀態(tài)：鬧鐘關(guān)閉*在此狀態(tài)中，將會(huì)不斷檢查是否打開(kāi)鬧鐘，如果打開(kāi)了鬧鐘，則會(huì)進(jìn)入下一個(gè)狀態(tài):設(shè)置鬧鐘時(shí)間*/caseif(getInput()==INPUT_ALARM_ON)//檢查是否打開(kāi)了鬧鐘請(qǐng)?jiān)O(shè)置鬧鐘時(shí)間| break;/*狀態(tài)：設(shè)置鬧鐘時(shí)間*在此狀態(tài)中，將會(huì)檢查輸入值，*如果輸入“取消”命令，則取消鬧鐘設(shè)置，返回到鬧鐘關(guān)閉的狀態(tài)輸入鬧鐘時(shí)間格式錯(cuò)誤，則狀態(tài)不變，等待下一次重新輸入輸入了正確的鬧鐘時(shí)間，則設(shè)置鬧鐘，顯示鬧鐘設(shè)置成功，并進(jìn)入下一狀態(tài):等待鬧鐘響casesetalarm"time：^^^^B^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^Minput=getInput(); //獲取輸入值ifi^put==INPUT_CANCEL) //如果輸入了取消^^i!PlayMe!Sege(MESSEGE_CLEAR)^^示“已取消I alarmstate=ALARM_OFF； //進(jìn)入狀態(tài)：關(guān)閉鬧鐘~ejs^fCheckAlarmFormst(!nput)^=^ORMAT_OK^^^^如果輸入格式正I ^^iplayMEg!(MESIE5E_ALARM_IS_ON^^示“成功設(shè)置鬧鐘^鬧鐘已^動(dòng)”setAlarm(input);//根據(jù)輸入值設(shè)置鬧鐘| break;/*狀態(tài)：等待鬧鐘響起*在此狀態(tài)中，將會(huì)檢查是否到達(dá)鬧鐘時(shí)間，如果到達(dá)，則進(jìn)入下一狀態(tài)：播放鬧鐘音樂(lè)*同時(shí)，在此狀態(tài)中也會(huì)檢查輸入，如果輸入了“取消”的命令，則進(jìn)入鬧鐘關(guān)閉的狀態(tài)=/] casewating_for_alarm：^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^displayMessege(MESSEGE_WAITING);//顯示等待鬧鐘響起的信息，例如離鬧鐘響起|還有多長(zhǎng)時(shí)間if(alarmTimeDiff()<=0)//檢查離鬧鐘響起還有多少時(shí)間，如果時(shí)間小于等于零(到達(dá)鬧鐘時(shí)間)if^SPSSmS_CAS^/F如果輸入了取消命■alarmState=ALARM_OFF； //進(jìn)入鬧鐘關(guān)閉的狀態(tài)break/*狀態(tài)：播放鬧鐘音樂(lè)*在此狀態(tài)中，將播放鬧鐘音樂(lè)，若播放完畢，進(jìn)入鬧鐘關(guān)閉的狀態(tài)*同時(shí)，在此狀態(tài)中也會(huì)檢查輸入，如果輸入了“小睡”的命令，則進(jìn)入狀態(tài)：設(shè)置小睡時(shí)間如果輸入了“取消”的命令，則進(jìn)入狀態(tài)：鬧鐘關(guān)閉*/cas；PLAY_ALARM_MUS^C^^^^^^^^B^^^^^^^^^^^^^^^^jdisplayMessege(MESSEGE_GE?_UpT^^示消息:該起床了if(playAlarmMusic()無(wú)ALARM_MUSIC_END)//播放鬧鐘音樂(lè){//若音樂(lè)播放完畢alarmState=ALARM_OFF;//進(jìn)入狀態(tài)：鬧鐘關(guān)閉input=getInput();ifi?put==INPUT_SNOOZE)//若輸入了“小睡”的命令^^ipsyMEg!(MESGE_SS_