什么是狀態(tài)機(jī)？狀態(tài)機(jī)5要素

玩單片機(jī)還可以，各個(gè)外設(shè)也都會(huì)驅(qū)動(dòng)，但是如果讓你完整的寫一套代碼時(shí)，卻無邏輯與框架可言。這說明編程還處于比較低的水平，你需要學(xué)會(huì)一種好的編程框架或者一種編程思想！比如模塊化編程、狀態(tài)機(jī)編程、分層思想等。

本文來說一下狀態(tài)機(jī)編程。

什么是狀態(tài)機(jī)？

狀態(tài)機(jī)（state machine）有5個(gè)要素：

狀態(tài)（state）

遷移（transition）

事件（event）

動(dòng)作（action）

條件（guard） 狀態(tài)：一個(gè)系統(tǒng)在某一時(shí)刻所存在的穩(wěn)定的工作情況，系統(tǒng)在整個(gè)工作周期中可能有多個(gè)狀態(tài)。例如一部電動(dòng)機(jī)共有正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)這 3 種狀態(tài)。

一個(gè)狀態(tài)機(jī)需要在狀態(tài)集合中選取一個(gè)狀態(tài)作為初始狀態(tài)。

遷移：系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)的過程稱作遷移，遷移不是自動(dòng)發(fā)生的，需要外界對系統(tǒng)施加影響。停轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)自己不會(huì)轉(zhuǎn)起來，讓它轉(zhuǎn)起來必須上電。

事件：某一時(shí)刻發(fā)生的對系統(tǒng)有意義的事情，狀態(tài)機(jī)之所以發(fā)生狀態(tài)遷移，就是因?yàn)槌霈F(xiàn)了事件。對電動(dòng)機(jī)來講，加正電壓、加負(fù)電壓、斷電就是事件。

動(dòng)作：在狀態(tài)機(jī)的遷移過程中，狀態(tài)機(jī)會(huì)做出一些其它的行為，這些行為就是動(dòng)作，動(dòng)作是狀態(tài)機(jī)對事件的響應(yīng)。給停轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)加正電壓，電動(dòng)機(jī)由停轉(zhuǎn)狀態(tài)遷移到正轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時(shí)會(huì)啟動(dòng)電機(jī)，這個(gè)啟動(dòng)過程可以看做是動(dòng)作，也就是對上電事件的響應(yīng)。

條件：狀態(tài)機(jī)對事件并不是有求必應(yīng)的，有了事件，狀態(tài)機(jī)還要滿足一定的條件才能發(fā)生狀態(tài)遷移。還是以停轉(zhuǎn)狀態(tài)的電動(dòng)機(jī)為例，雖然合閘上電了，但是如果供電線路有問題的話，電動(dòng)機(jī)還是不能轉(zhuǎn)起來。

舉個(gè)例子

要解決的問題

電路如下圖：

器件包括單片機(jī)MCU、一按鍵K0、LED燈L1和L2。

實(shí)現(xiàn)功能描述：

L1L2狀態(tài)轉(zhuǎn)換順序OFF/OFF---》ON/OFF---》ON/ON---》OFF/ON---》OFF/OFF

通過按鍵控制L1L2的狀態(tài)，每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換需連續(xù)按鍵5次

L1L2的初始狀態(tài)OFF/OFF

狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

在狀態(tài)機(jī)編程中，正確的順序應(yīng)該是先有狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，后有程序，程序應(yīng)該是根據(jù)設(shè)計(jì)好的狀態(tài)圖寫出來的。

下面這張按鍵控制流水燈狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，是用UML（統(tǒng)一建模語言）的語法元素畫出來的，語法不是很標(biāo)準(zhǔn)，但拿來解釋問題足夠了。

上圖中，圓角矩形代表狀態(tài)機(jī)的各個(gè)狀態(tài)，里面標(biāo)注著狀態(tài)的名稱。

帶箭頭的直線或弧線代表狀態(tài)遷移，起于初態(tài)，止于次態(tài)。

圖中的文字內(nèi)容是對遷移的說明，格式是：事件［條件］/動(dòng)作列表（后兩項(xiàng)可選）。

“事件［條件］/動(dòng)作列表”要說明的意思是：如果在某個(gè)狀態(tài)下發(fā)生了“事件”，并且狀態(tài)機(jī)

滿足“［條件］”，那么就要執(zhí)行此次狀態(tài)轉(zhuǎn)移，同時(shí)要產(chǎn)生一系列“動(dòng)作”，以響應(yīng)事件。在這個(gè)例子里，我用“KEY”表示擊鍵事件。

圖中有一個(gè)黑色實(shí)心圓點(diǎn)，表示狀態(tài)機(jī)在工作之前所處的一種不可知的狀態(tài)，在運(yùn)行之前狀態(tài)機(jī)必須強(qiáng)制地由這個(gè)狀態(tài)遷移到初始狀態(tài)，這個(gè)遷移可以有動(dòng)作列表（如圖1所示），但不需要事件觸發(fā)。

圖中還有一個(gè)包含黑色實(shí)心圓點(diǎn)的圓圈，表示狀態(tài)機(jī)生命周期的結(jié)束，這個(gè)例子中的狀態(tài)機(jī)生生不息，所以沒有狀態(tài)指向該圓圈。

程序代碼

下面是根據(jù)上述狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖寫成的代碼：

void main（void）{ sys_init（）; led_off（LED1）; led_off（LED2）; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFOFF; g_stFSM.u8KeyCnt = 0; while（1） { if（test_key（）==TRUE） { fsm_active（）; } else { ; /*idle code*/ } }}void fsm_active（void）{ if（g_stFSM.u8KeyCnt 》 3） /*擊鍵是否滿 5 次*/ { switch（g_stFSM.u8LedStat） { case LS_OFFOFF： led_on（LED1）; /*輸出動(dòng)作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_ONOFF; /*狀態(tài)遷移*/ break; case LS_ONOFF： led_on（LED2）; /*輸出動(dòng)作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_ONON; /*狀態(tài)遷移*/ break; case LS_ONON： led_off（LED1）; /*輸出動(dòng)作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFON; /*狀態(tài)遷移*/ break; case LS_OFFON： led_off（LED2）; /*輸出動(dòng)作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFOFF; /*狀態(tài)遷移*/ break; default： /*非法狀態(tài)*/ led_off（LED1）; led_off（LED2）; g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFOFF; /*恢復(fù)初始狀態(tài)*/ break; } } else { g_stFSM.u8KeyCnt++; /*狀態(tài)不遷移，僅記錄擊鍵次數(shù)*/ }}

先看一下fsm_active（）這個(gè)函數(shù)，g_stFSM.u8KeyCnt = 0;這個(gè)語句在switch—case里共出現(xiàn)了 5 次，前 4 次是作為各個(gè)狀態(tài)遷移的動(dòng)作出現(xiàn)的。從代碼簡化提高效率的角度來看，我們完全可以把這 5 次合并為 1 次放在 switch—case 語句之前，兩者的效果是完全一樣的，代碼里之所以這樣啰嗦，是為了清晰地表明每次狀態(tài)遷移中所有的動(dòng)作細(xì)節(jié)，這種方式和上面狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖所要表達(dá)的意圖是完全一致的。

再看一下g_stFSM這個(gè)狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)體變量，它有兩個(gè)成員：u8LedStat和 u8KeyCnt。用這個(gè)結(jié)構(gòu)體來做狀態(tài)機(jī)好像有點(diǎn)兒啰嗦，我們能不能只用一個(gè)像 u8LedStat 這樣的整型變量來做狀態(tài)機(jī)呢？

當(dāng)然可以！我們把上圖中的這 4 個(gè)狀態(tài)各自拆分成 5 個(gè)小狀態(tài)，這樣用 20 個(gè)狀態(tài)同樣能實(shí)現(xiàn)這個(gè)狀態(tài)機(jī)，而且只需要一個(gè) unsigned char 型的變量就足夠了，每次擊鍵都會(huì)引發(fā)狀態(tài)遷移， 每遷移 5 次就能改變一次 LED 燈的狀態(tài)，從外面看兩種方法的效果完全一樣。

假設(shè)我把功能要求改一下，把連續(xù)擊鍵5次改變L1L2的狀態(tài)改為連續(xù)擊鍵100次才能改變L1L2的狀態(tài)。這樣的話第二種方法需要4X100=400個(gè)狀態(tài)！而且函數(shù)fsm_active（）中的switch—case語句里要有400個(gè)case，這樣的程序還有法兒寫么？！

同樣的功能改動(dòng)，如果用g_stFSM這個(gè)結(jié)構(gòu)體來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的話，函數(shù)fsm_active（）只需要將if（g_stFSM.u8KeyCnt》3）改為if（g_stFSM.u8KeyCnt 》 98）就可以了！

g_stFSM結(jié)構(gòu)體的兩個(gè)成員中，u8LedStat可以看作是質(zhì)變因子，相當(dāng)于主變量；u8KeyCnt可以看作是量變因子，相當(dāng)于輔助變量。量變因子的逐步積累會(huì)引發(fā)質(zhì)變因子的變化。

像g_stFSM這樣的狀態(tài)機(jī)被稱作Extended State Machine。

編輯：jq