状态机在单片机C程序中的应用

状态机思路在单片机程序设计中的应用

1,状态机的概念:

状态机是软件编程中的一个重要概念。比这个概念更重要的是对它的灵活应用。在一个思路清晰而且高效的程序中，必然有状态机的身影浮现。

比如说一个按键命令解析程序，就可被看做状态机：本来在A状态下，触发一个按键后切换到了B状态；再触发另一个键后切换到C状态，或者返回到A状态。

最简按键状态机例。实际按键解析程序比这更复杂，但不影响我们对状态机的认识。进一步，击键动作本身也可看做一个状态机。一个细小的击键动作包含了：释放、抖动、闭合、抖动和重新释放等状态。

同样，一个串行通信的时序（不管它是遵循何种协议，标准串口也好、I2C也好；也不管它是有线的、还是红外的、无线的）也都可看做由一系列有限的状态构成。

显示扫描程序也是状态机；通信命令解析程序也是状态机；甚至连继电器的吸合/释放控制、发光管（LED）的亮/灭控制又何尝不是个状态机。

当我们打开思路，把状态机作为一种思想导入到程序中去时，就会找到解决问题的一条有效的捷径。有时候用状态机的思维去思考程序该干什么，比用控制流程的思维去思考，可能会更有效。这样一来状态机便有了更实际的功用。

2,程序其实就是状态机:

也许你还不理解上面这句话。请想想看，计算机的大厦不就是建立在“0”和“1”两个基本状态的地基之上么？

3,状态机的要素:

状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。这样的归纳，主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。

“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。详解如下：

①现态：是指当前所处的状态。

②条件：又称为“事件”。当一条件被满足，将触发一动作，或执行一状态的迁移。

③动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可迁移到新状态，也可仍旧保持原状。动作非必需的，当条件满足后，也可不执行任何动作，直接迁移到新状态。

④次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。

若我们进一步归纳，把“现态”和“次态”统一起来，而把“动作”忽略（降格处理），则只剩下两个最关键的要素，即：状态、迁移条件。

状态机的表示方法有多种，可用文字、图形或表格的形式来表示一个状态机。

纯粹用文字描述是很低效的，所以就不介绍了。接下来先介绍图形的方式。

4,状态迁移图（STD）:

状态迁移图的画法有许多种，不过一般都大同小异。我们结合一个例子来说明一下它的画法，如图1所示。

图1 状态迁移图

①状态框：用方框表示状态，包括所谓的“现态”和“次态”。

②条件及迁移箭头：用箭头表示状态迁移的方向，并在该箭头上标注触发条件。

③节点圆圈：当多个箭头指向一个状态时，可用节点符号（小圆圈）连接汇总。

④动作框：用椭圆框表示。

⑤附加条件判断框：用六角菱形框表示。

状态迁移图和我们常见的流程图相比有着本质的区别，具体体现为：在流程图中，箭头代表了程序PC指针的跳转；而在状态迁移图中，箭头代表的是状态的改变。

我们会发现，这种状态迁移图比普通程序流程图更简练、直观、易懂。这正是我们需要达到的目的。

状态迁移表

除了状态迁移图，我们还可用表格的形式来表示状态之间的关系。这种表一般称为状态迁移表。

表1就是前面介绍的那张状态迁移图的另一种描述形式。

表1 状态迁移表

状态（现态）状态描述条件动作次态状态1 条件1 状态2

条件2 动作1 状态3

状态2 条件3 附加条件满足状态4 附加条件不满足状态3

条件5 状态1

条件6 动作2 状态2

状态3 条件4 状态4

条件5 状态1 状态4 条件5 状态1

①采用表格方式来描述状态机，优点是可容纳更多的文字信息。例如，我们不但可在状态迁移表中描述状态的迁移关系，还可把每个状态的特征描述也包含在内。

②若表格内容较多，过于臃肿不利于阅读，我们也可将状态迁移表进行拆分。经过拆分后的表格根据其具体内容，表格名称也有所变化。

③比如，我们可把状态特征和迁移关系分开列表。被单独拆分出来的描述状态特征的表格，也可称为“状态真值表”。这其中比较常见的就是把每个状态的显示内容单独列表。这种描述每个状态显示内容的表称之为“显示真值表”。同样，我们把单独表述基于按键的状态迁移表称为“按键功能真值表”。另外，若每一个状态包含的信息量过多，我们也可把每个状态单独列表。

④由此可见，状态迁移表作为状态迁移图的有益补充，它的表现形式是灵活的。

⑤状态迁移表优点是信息涵盖面大，缺点是视觉上不够直观，因此它并不能取代状态迁移图。比较理想的是将图形和表格结合应用。用图形展现宏观，用表格说明细节。二者互为参照，相得益彰。

用状态机思路实现一个时钟程序

接下来，我将就状态机的应用，结合流程图、状态迁移图和状态迁移，举一个实际例子。下面这张图是一个时钟程序的状态迁移图，如图2所示。

图2 时钟程序状态迁移图

把这张图稍做归纳，就可得到它的另一种表现形式——状态迁移表，如表2所示。

表2 时钟程序状态迁移表

工作状态（现态）A键B键

显示内容

编号说明次态功能次态功能

0 显示时间 1 - 3 - 时：分：秒（12：00：00）

1 显示闹钟

2 - 5 - 时：分（12：00）

2 显示秒表0 - - 启动/停止时：分：秒（12：00：00）

3 设置小时- 时+1

4 - （12：▋▋：▋▋）

4 设置分钟- 分+1；秒=0 0 - （▋▋：00：00）

5 设置闹钟“时”- 时+1

6 - （TM：00：▋▋）

6 设置闹钟“分”- 分+1

7 - （TM：▋▋：00）