状态机思路在嵌入式开发中的应用说明及注意事项

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来源 | 玩转嵌入式

编排 | strongerHuang

学单片机开发的同学，基本都是从裸机开始的，裸机中一般都会使用到状态机。

可能很多人认为裸机中状态机比较low，怎么也要搞一个RTOS，更甚着要跑Linux才觉得高大上。其实，这都是误区，适合自己的才是最好的，做产品也一样，满足需求很重要。

目前裸机状态机依然很流行，我并不会觉得裸机很low，而且之前都还用状态机开发过好几款产品。

下面就来讲讲状态机的内容：

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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：一个按键命令解析程序，就可以被看做状态机：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。这就是最简单的按键状态机例子。实际的按键解析程序会比这更复杂些，但这不影响我们对状态机的认识。

进一步看，按键动作本身也可以看做一个状态机，一个细小的按键动作包含了：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）也都可以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。

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？

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2

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：

现态
是指当前所处的状态。

条件
又称为“事件”。当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。

动作
条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。

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。

如果我们进一步归纳，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许多种，我们可以用文字、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。

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3

状态迁移图（STD）

状态迁移图（STD），是一种描述系统的状态、以及相互转化关系的图形方式。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

状态框
用方框表示状态，包括所谓的“现态”和“次态”。

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。

节点圆圈
当多个箭头指向一个状态时，可以用节点符号（小圆圈）连接汇总。

动作框
用椭圆框表示。

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。

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4

状态迁移表

除了状态迁移图，我们还可以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

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，我们不但可以在状态迁移表中描述状态的迁移关系，还可以把每个状态的特征描述也包含在内。

如果表格内容较多，过于臃肿不利于阅读，我们也可以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。

比如，我们可以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，也可以称为“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，如果每一个状态包含的信息量过多，我们也可以把每个状态单独列表。

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。

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。

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5

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，就可以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

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6

状态机应用的注意事项

基于状态机的程序调度机制，其应用的难点并不在于对状态机概念的理解，而在于对系统工作状态的合理划分。

初学者往往会把某个“程序动作”当作是一种“状态”来处理。我称之为“伪态”。那么如何区分“动作”和“状态”。本匠人的心得是看二者的本质：

“动作”是不稳定的，即使没有条件的触发，“动作”一旦执行完毕就结束了；

而“状态”是相对稳定的，如果没有外部条件的触发，一个状态会一直持续下去。

初学者的另一种比较致命的错误，就是在状态划分时漏掉一些状态。我称之为“漏态”。

伪态和漏态这两种错误的存在，将会导致程序结构的涣散。因此要特别小心避免。

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7

更复杂的状态机

前面介绍的是一种简单的状态结构。它只有一级，并且只有一维，如图3所示。

图3 线性状态机结构

如果有必要，我们可以建立更复杂的状态机模型。

1.多级状态结构
状态机可以是多级的。在分层的多级状态机系统里面，一个“父状态”下可以划分多个“子状态”，这些子状态共同拥有上级父状态的某些共性，同时又各自拥有自己的一些个性。

在某些状态下，还可以进一步划分子状态。比如，我们可以把前面的时钟例子修改如下：

把所有和时钟功能有关的状态，合并成1个一级状态。在这个状态下，又可以划分出3个二级子状态，分别为显示时间、设置小时、设置分钟；

同样，我们也可以把所有和闹钟功能有关的状态，合并成1个一级状态。在这个状态下，再划分出4个二级子状态，分别为显示闹钟、设置“时”、设置“分”、设置鸣叫时间。

我们需要用另一个状态变量（寄存器）来表示这些子状态。

子状态下面当然还可以有更低一级的孙状态（子子孙孙无穷尽也），从而将整个状态体系变成了树状多级状态结构，如图4所示。

图4树状多级状态结构

2.多维状态结构
状态结构也可以是多维的。从不同的角度对系统进行状态的划分，这些状态的某些特性是交叉的。比如，在按照按键和显示划分状态的同时，又按照系统的工作进程做出另一种状态划分。这两种状态划分同时存在，相互交叉，从而构成了二维的状态结构空间。

举一个这方面的例子，如：空调遥控器，如图5所示。

图5多维状态机结构

同样，我们也可以构建三维、四维甚至更多维的状态结构。每一维的状态都需要用一个状态变量（寄存器）来表示。

无论多级状态结构和多维状态结构看上去多么迷人，匠人的忠告是：我们依然要尽可能地简化状态结构，能用单级、单维的结构，就不要给自己找事，去玩那噩梦般的复杂结构。

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