单片机状态机编程详解

1万 · 2023-1-6 09:55

玩单片机还可以，各个外设也都会驱动，但是如果让你完整的写一套代码时，却无逻辑与框架可言。这说明编程还处于比较低的水平，你需要学会一种好的编程框架或者一种编程思想！比如模块化编程、状态机编程、分层思想等，相关推荐:分享两种单片机编程思想。

本文来说一下状态机编程。

什么是状态机？
状态机(state machine)有5个要素：

状态(state)

迁移(transiTIon)

事件(event)

动作(acTIon)

条件(guard)

状态：一个系统在某一时刻所存在的稳定的工作情况，系统在整个工作周期中可能有多个状态。例如一部电动机共有正转、反转、停转这 3 种状态。

一个状态机需要在状态集合中选取一个状态作为初始状态。

迁移：系统从一个状态转移到另一个状态的过程称作迁移，迁移不是自动发生的，需要外界对系统施加影响。停转的电动机自己不会转起来，让它转起来必须上电。

事件：某一时刻发生的对系统有意义的事情，状态机之所以发生状态迁移，就是因为出现了事件。对电动机来讲，加正电压、加负电压、断电就是事件。

动作：在状态机的迁移过程中，状态机会做出一些其它的行为，这些行为就是动作，动作是状态机对事件的响应。给停转的电动机加正电压，电动机由停转状态迁移到正转状态，同时会启动电机，这个启动过程可以看做是动作，也就是对上电事件的响应。

条件：状态机对事件并不是有求必应的，有了事件，状态机还要满足一定的条件才能发生状态迁移。还是以停转状态的电动机为例，虽然合闸上电了，但是如果供电线路有问题的话，电动机还是不能转起来。

1万 · 2023-1-6 09:56

举个例子

要解决的问题

电路如下图：

器件包括单片机MCU、一按键K0、LED灯L1和L2。

实现功能描述：

L1L2状态转换顺序OFF/OFF--->ON/OFF--->ON/ON--->OFF/ON--->OFF/OFF
通过按键控制L1L2的状态,每次状态转换需连续按键5次
L1L2的初始状态OFF/OFF

状态转换图

在状态机编程中，正确的顺序应该是先有状态转换图，后有程序，程序应该是根据设计好的状态图写出来的。

下面这张按键控制流水灯状态转换图，是用UML(统一建模语言)的语法元素画出来的，语法不是很标准，但拿来解释问题足够了。

上图中，圆角矩形代表状态机的各个状态，里面标注着状态的名称。

带箭头的直线或弧线代表状态迁移，起于初态，止于次态。

图中的文字内容是对迁移的说明，格式是：事件[条件]/动作列表(后两项可选)。

“事件[条件]/动作列表”要说明的意思是：如果在某个状态下发生了“事件”，并且状态机

满足“[条件]”，那么就要执行此次状态转移，同时要产生一系列“动作”，以响应事件。在这个例子里，我用“KEY”表示击键事件。

图中有一个黑色实心圆点，表示状态机在工作之前所处的一种不可知的状态，在运行之前状态机必须强制地由这个状态迁移到初始状态，这个迁移可以有动作列表(如图1所示)，但不需要事件触发。

图中还有一个包含黑色实心圆点的圆圈，表示状态机生命周期的结束，这个例子中的状态机生生不息，所以没有状态指向该圆圈。

1万 · 2023-1-6 10:02

程序代码

下面是根据上述状态转换图写成的代码：

void main(void){ sys_init(); led_off(LED1); led_off(LED2); g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFOFF; g_stFSM.u8KeyCnt = 0;while(1) {if(test_key()==TRUE) { fsm_acTIve(); }else { ; /*idle code*/ } }}void fsm_acTIve(void){if(g_stFSM.u8KeyCnt > 3) /*击键是否满 5 次*/ {switch(g_stFSM.u8LedStat) {case LS_OFFOFF: led_on(LED1); /*输出动作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_ONOFF; /*状态迁移*/break;case LS_ONOFF: led_on(LED2); /*输出动作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_ONON; /*状态迁移*/break;case LS_ONON: led_off(LED1); /*输出动作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFON; /*状态迁移*/break;case LS_OFFON: led_off(LED2); /*输出动作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFOFF; /*状态迁移*/break;default: /*非法状态*/ led_off(LED1); led_off(LED2); g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFOFF; /*恢复初始状态*/break; } }else { g_stFSM.u8KeyCnt++; /*状态不迁移，仅记录击键次数*/ }}
先看一下fsm_active()这个函数，g_stFSM.u8KeyCnt = 0;这个语句在switch—case里共出现了 5 次，前 4 次是作为各个状态迁移的动作出现的。从代码简化提高效率的角度来看，我们完全可以把这 5 次合并为 1 次放在 switch—case 语句之前，两者的效果是完全一样的，代码里之所以这样啰嗦，是为了清晰地表明每次状态迁移中所有的动作细节，这种方式和上面状态转换图所要表达的意图是完全一致的。

再看一下g_stFSM这个状态机结构体变量，它有两个成员：u8LedStat和 u8KeyCnt。用这个结构体来做状态机好像有点儿啰嗦，我们能不能只用一个像 u8LedStat 这样的整型变量来做状态机呢？

当然可以！我们把上图中的这 4 个状态各自拆分成 5 个小状态，这样用 20 个状态同样能实现这个状态机，而且只需要一个 unsigned char 型的变量就足够了，每次击键都会引发状态迁移，每迁移 5 次就能改变一次 LED 灯的状态，从外面看两种方法的效果完全一样。

假设我把功能要求改一下，把连续击键5次改变L1L2的状态改为连续击键100次才能改变L1L2的状态。这样的话第二种方法需要4X100=400个状态！而且函数fsm_active()中的switch—case语句里要有400个case，这样的程序还有法儿写么？！

同样的功能改动，如果用g_stFSM这个结构体来实现状态机的话，函数fsm_active()只需要将if(g_stFSM.u8KeyCnt>3)改为if(g_stFSM.u8KeyCnt > 98)就可以了！

g_stFSM结构体的两个成员中，u8LedStat可以看作是质变因子，相当于主变量；u8KeyCnt可以看作是量变因子，相当于辅助变量。量变因子的逐步积累会引发质变因子的变化。

像g_stFSM这样的状态机被称作Extended State Machine。