有限狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)和 Arduino 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)較多的復(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，從而解決上述問題。

目錄：

1. 什么是有限狀態(tài)機(jī)

2. 有限狀態(tài)機(jī)的作用

2.1 分解耗時(shí)過長(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

3. 有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)

3.1 通過 switch - case 語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)

3.2 通過 Arduino 庫(kù)實(shí)現(xiàn)

3.3 其他方式

4. 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

5. 示例二：通過有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的鬧鐘程序

6. 后記

1. 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-state machine, 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。[

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)間用在復(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

如果沒有感覺到瞌睡，則繼續(xù)復(fù)習(xí)

在小睡的時(shí)候：

如果感覺不再瞌睡，則開始復(fù)習(xí)

如果感覺依舊瞌睡，則繼續(xù)睡覺

也可通過一幅簡(jiǎn)單的示意圖（也叫「狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖」）表示出來(lái)：

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)，感覺瞌睡和感覺清醒這兩個(gè)條件可以使?fàn)顟B(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換。[

另外，Programming Basics [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)，可通過此鏈接訪問。

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。

2. 有限狀態(tài)機(jī)的作用

2.1 分解耗時(shí)過長(zhǎng)的任務(wù)

大家應(yīng)該都知道，CPU 沒有并行執(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。各個(gè)程序在什么時(shí)候開始執(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。

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 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)，一般是通過將某個(gè)變量循環(huán)遞加或遞加，遞加或遞減到一定值后跳出循環(huán)，從而通過消耗 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)行的過程中，其他程序無(wú)法運(yùn)行，消耗了大量 CPU 資源。而通過狀態(tài)機(jī)，有助于減少軟件延時(shí)的使用，提高 CPU 利用率。

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。

下文中的示例二：通過狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的鬧鐘展示了如何通過狀態(tài)機(jī)優(yōu)化程序邏輯。

3. 有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)

3.1 通過 switch - case 語(yǔ)句實(shí)現(xiàn)

如果使用 C 語(yǔ)言，switch - case 語(yǔ)句，即可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)。

ARDUINO 代碼復(fù)制打印

/* 定義各個(gè)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的數(shù)值 */

#define STATUS_A 0

#define STATUS_B 1

#define STATUS_C 2

/* 該變量的值即為當(dāng)前狀態(tài)機(jī)所處的狀態(tài) */

uint8_t currentStatus = STATUS_A;

/* 通過狀態(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

* /

void fsm_app(void)

{

switch(currentStatus) /* 根據(jù)現(xiàn)在的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的程序 */

{

case STATUS_A:/* 狀態(tài) A */

doThingsForStatusA(); /* 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_1){ currentStatus = STATUE_B; }

break;

case STATUS_B:/* 狀態(tài) B */

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(condition_3){ currentStatus = STATUE_A; }

break;

case STATUS_C:/* 狀態(tài) C */

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){ currentStatus = STATUE_A; }

break;

default:

currentStatus = STATUE_A;

}

}

通過這段程序，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 Arduino 庫(kù)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于 Arduino 用戶，還可以使用 FSM Library 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)。

下載地址及使用說明：http://playground.arduino.cc/Code/FiniteStateMachine

3.3 其他方式

對(duì)于一些更復(fù)雜的任務(wù)，使用 switch - case 語(yǔ)句，代碼會(huì)不太簡(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。

4. 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