编程思想——状态机

1万 · 2024-12-20 03:42

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。
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。

程序代码

下面是根据上述状态转换图写成的代码：
/*状态迁移*/
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。