有限狀態(tài)機在單片機和 Arduino 編程中的應用

在單片機編程中，如果在不使用操作系統(tǒng)的情況下同時執(zhí)行多個任務，可能會遇到下面這些情況：

一個任務的執(zhí)行時間過長，導致其他任務無法及時執(zhí)行

在一些任務中大量使用 delay() 等函數(shù)進行軟件延時，這些延時函數(shù)占用過多時間，影響其他任務的執(zhí)行

一些復雜任務的程序邏輯不清晰，不便于以后對程序進行維護，或添加新功能

本文介紹的有限狀態(tài)機，可以做到將一個耗時較多的復雜任務分解為多個簡單任務，同時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

2. 有限狀態(tài)機的作用

2.1 分解耗時過長的任務

2.2 避免軟件延時對 CPU 資源造成浪費

2.3 使程序邏輯更加清晰

3. 有限狀態(tài)機的實現(xiàn)

3.1 通過 switch - case 語句實現(xiàn)

3.2 通過 Arduino 庫實現(xiàn)

3.3 其他方式

4. 示例一：按鍵去抖動程序的優(yōu)化

4.1 傳統(tǒng)的按鍵去抖動程序

4.2 優(yōu)化后的按鍵去抖動程序

5. 示例二：通過有限狀態(tài)機實現(xiàn)的鬧鐘程序

6. 后記

1. 什么是有限狀態(tài)機

根據(jù)維基百科上的定義，有限狀態(tài)機（finite-state machine, FSM，簡稱狀態(tài)機）是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉移和動作等行為的數(shù)學模型。[

為了理解這句話，假設自己還有三天就要考試，這時候就要進入緊張的備考狀態(tài)，將空閑時間用在復習上。但是，為了保證足夠的精力，小睡一會兒也是十分有必要的。那么，什么時候復習，什么時候睡覺呢？可以這樣描述：

在復習的時候：

如果感到瞌睡，則睡覺

如果沒有感覺到瞌睡，則繼續(xù)復習

在小睡的時候：

如果感覺不再瞌睡，則開始復習

如果感覺依舊瞌睡，則繼續(xù)睡覺

也可通過一幅簡單的示意圖（也叫「狀態(tài)轉移圖」）表示出來：

這個例子其實就是一個簡單的有限狀態(tài)機，其中，復習和小睡是兩個狀態(tài)，感覺瞌睡和感覺清醒這兩個條件可以使狀態(tài)發(fā)生轉換。[

另外，Programming Basics [網(wǎng)站上也提供了狀態(tài)機相關的教程，用形象化的圖片解釋了什么是有限狀態(tài)機，可通過此鏈接訪問。

在嵌入式程序設計中，如果一個系統(tǒng)需要處理一系列連續(xù)發(fā)生的任務，或在不同的模式下對輸入進行不同的處理，常常使用有限狀態(tài)機實現(xiàn)。例如測量、監(jiān)測、控制等控制邏輯型應用。

2. 有限狀態(tài)機的作用

2.1 分解耗時過長的任務

大家應該都知道，CPU 沒有并行執(zhí)行任務的能力。計算機「同時」運行多個程序，其實是多個程序依次交替執(zhí)行，給人以程序同時運行的錯覺。各個程序在什么時候開始執(zhí)行，執(zhí)行多長時間后切換到下一個程序，由操作系統(tǒng)決定。

單片機執(zhí)行多任務也是類似的過程，但由于其資源有限，為了節(jié)省對 CPU 和存儲空間的占用，在很多情況下沒有使用操作系統(tǒng)。這時，單片機中運行的各個任務必須在一定時間內主動執(zhí)行完畢，才能保證下一個任務能夠及時執(zhí)行。

對于一些需要長時間執(zhí)行的任務，例如按鍵去除抖動、讀取和播放 MP3 文件等，采用有限狀態(tài)機的方式，將任務劃分為多個小的步驟（狀態(tài)），每次只執(zhí)行其中的一步。這樣，其他任務就有機會「插入」到這個任務之中，確保了各個任務都能按時執(zhí)行。

2.2 避免軟件延時對 CPU 資源造成浪費

對于一些簡單的程序，可通過 delay(), delay_ms() 之類的函數(shù)進行軟件延時。這些延時函數(shù)，一般是通過將某個變量循環(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 時間實現(xiàn)了延時。

這種方式雖然簡單，但在延時函數(shù)執(zhí)行的過程中，其他程序無法運行，消耗了大量 CPU 資源。而通過狀態(tài)機，有助于減少軟件延時的使用，提高 CPU 利用率。

請參考下文中的示例一：按鍵去抖動程序的優(yōu)化，這一例子展示了如何通過軟件延時分解耗時較長的任務，同時減少軟件延時的使用。

2.3 使程序邏輯更加清晰

通過狀態(tài)機，將一個復雜任務劃分為多個狀態(tài)，可以使程序清晰易懂，便于維護。以后想要添加、刪除程序中的功能，都會變得非常容易。

下文中的示例二：通過狀態(tài)機實現(xiàn)的鬧鐘展示了如何通過狀態(tài)機優(yōu)化程序邏輯。

3. 有限狀態(tài)機的實現(xiàn)

3.1 通過 switch - case 語句實現(xiàn)

如果使用 C 語言，switch - case 語句，即可簡單地實現(xiàn)有限狀態(tài)機。

ARDUINO 代碼復制打印

/* 定義各個狀態(tài)所對應的數(shù)值 */

#define STATUS_A 0

#define STATUS_B 1

#define STATUS_C 2

/* 該變量的值即為當前狀態(tài)機所處的狀態(tài) */

uint8_t currentStatus = STATUS_A;

/* 通過狀態(tài)機實現(xiàn)的某個任務，

* 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 */

/* 若滿足狀態(tài)轉換的條件，則轉換到另一個狀態(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 */

/* 若滿足狀態(tài)轉換的條件，則轉換到另一個狀態(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 */

/* 若滿足狀態(tài)轉換的條件，則轉換到另一個狀態(tài) */

if(condition_4){ currentStatus = STATUE_A; }

break;

default:

currentStatus = STATUE_A;

}

}

通過這段程序，即可實現(xiàn)一個具有三個狀態(tài)的狀態(tài)機。狀態(tài)轉移圖如下圖所示：

3.2 通過 Arduino 庫實現(xiàn)

對于 Arduino 用戶，還可以使用 FSM Library 實現(xiàn)。這一庫將有限狀態(tài)機進行了封裝，可以以更簡潔的方式實現(xiàn)狀態(tài)機。

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

3.3 其他方式

對于一些更復雜的任務，使用 switch - case 語句，代碼會不太簡潔。這時候，使用其他方式實現(xiàn)狀態(tài)機，可能會更好。具體請查閱相關資料。

4. 示例一：按鍵去抖動程序的優(yōu)化

4.1 傳統(tǒng)的按鍵去抖動程序