狀態(tài)機在單片機程序設(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B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(biāo)準(zhǔn)串口也好、I2C也好；也不管它是有線的、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。

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)。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：
     
①現(xiàn)態(tài)：是指當(dāng)前所處的狀態(tài)。
②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。
③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)。
④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（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。

圖1 狀態(tài)遷移圖
     
      ①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)”。
      ②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(biāo)注觸發(fā)條件。
      ③節(jié)點圓圈：當(dāng)多個箭頭指向一個狀態(tài)時，可以用節(jié)點符號（小圓圈）連接匯總。
      ④動作框：用橢圓框表示。
      ⑤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PC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。

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。

表1 狀態(tài)遷移表

      ①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)。
      ②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。
      ③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。
      ④由此可見，狀態(tài)遷移表作為狀態(tài)遷移圖的有益補充，它的表現(xiàn)形式是靈活的。
      ⑤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

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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。

 
圖2 時鐘程序狀態(tài)遷移圖

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。

表2 時鐘程序狀態(tài)遷移表

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)”。

“偽態(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。

 
圖3  線性狀態(tài)機結(jié)構(gòu)

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”、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。

 
圖4 樹狀多級狀態(tài)結(jié)構(gòu)

 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。

圖5 多維狀態(tài)機結(jié)構(gòu)

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)，能用單級、單維的結(jié)構(gòu)，就不要給自己找事，去玩那噩夢般的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

簡單的才是最有效的。

結(jié)束語

對狀態(tài)機的理解需要一個由淺入深的過程。這個過程應(yīng)該是與實踐應(yīng)用和具體案例思考相結(jié)合的。當(dāng)一種良好的思路成為設(shè)計的習(xí)慣，它就能給設(shè)計者帶來回報。愿這篇手記里介紹的基于狀態(tài)機的編程思路能給新手們帶來一些啟迪，幫助大家找到“程序設(shè)計”的感覺。