狀態(tài)機(jī)編程

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狀態(tài)機(jī)思路在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用狀態(tài)機(jī)的概念狀態(tài)機(jī)是軟件編程中的一個(gè)重要概念。比這個(gè)概念更重要的是對(duì)它的靈活應(yīng)用。在一個(gè)思路清晰而且高效的程序中，必然有狀態(tài)機(jī)的身影浮現(xiàn)。比如說(shuō)一個(gè)按鍵命令解析程序，就可以被看做狀態(tài)機(jī)：本來(lái)在A狀態(tài)下，觸發(fā)一個(gè)按鍵后切換到了B狀態(tài)；再觸發(fā)另一個(gè)鍵后切換到C狀態(tài)，或者返回到A狀態(tài)。這就是最簡(jiǎn)單的按鍵狀態(tài)機(jī)例子。實(shí)際的按鍵解析程序會(huì)比這更復(fù)雜些，但這不影響我們對(duì)狀態(tài)機(jī)的認(rèn)識(shí)。進(jìn)一步看，擊鍵動(dòng)作本身也可以看做一個(gè)狀態(tài)機(jī)。一個(gè)細(xì)小的擊鍵動(dòng)作包含了：釋放、抖動(dòng)、閉合、抖動(dòng)和重新釋放等狀態(tài)。同樣，一個(gè)串行通信的時(shí)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(wú)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(jī)；通信命令解析程序也是狀態(tài)機(jī)；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(gè)狀態(tài)機(jī)。當(dāng)我們打開思路，把狀態(tài)機(jī)作為一種思想導(dǎo)入到程序中去時(shí)，就會(huì)找到解決問(wèn)題的一條有效的捷徑。有時(shí)候用狀態(tài)機(jī)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(huì)更有效。這樣一來(lái)狀態(tài)機(jī)便有了更實(shí)際的功用。程序其實(shí)就是狀態(tài)機(jī)。也許你還不理解上面這句話。請(qǐng)想想看，計(jì)算機(jī)的大廈不就是建立在“0”和“1”兩個(gè)基本狀態(tài)的地基之上么？

狀態(tài)機(jī)的要素狀態(tài)機(jī)可歸納為4個(gè)要素，即現(xiàn)態(tài)、條件、動(dòng)作、次態(tài)。這樣的歸納，主要是出于對(duì)狀態(tài)機(jī)的內(nèi)在因果關(guān)系的考慮。“現(xiàn)態(tài)”和“條件”是因，“動(dòng)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(gè)條件被滿足，將會(huì)觸發(fā)一個(gè)動(dòng)作，或者執(zhí)行一次狀態(tài)的遷移。③動(dòng)作：條件滿足后執(zhí)行的動(dòng)作。動(dòng)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(dòng)作不是必需的，當(dāng)條件滿足后，也可以不執(zhí)行任何動(dòng)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(duì)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(jìn)一步歸納，把“現(xiàn)態(tài)”和“次態(tài)”統(tǒng)一起來(lái)，而把“動(dòng)作”忽略（降格處理），則只剩下兩個(gè)最關(guān)鍵的要素，即：狀態(tài)、遷移條件。狀態(tài)機(jī)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(lái)表示一個(gè)狀態(tài)機(jī)。純粹用文字描述是很低效的，所以就不介紹了。接下來(lái)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(guò)一般都大同小異。我們結(jié)合一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明一下它的畫法，如圖1所示。

用狀態(tài)機(jī)思路實(shí)現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘程序接下來(lái)，我將就狀態(tài)機(jī)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(gè)實(shí)際例子。下面這張圖是一個(gè)時(shí)鐘程序的狀態(tài)遷移圖，如圖2所示。

實(shí)際的狀態(tài)機(jī)編程思想例子看看小時(shí)候玩的5塊錢那種最簡(jiǎn)單的電子表。只有2個(gè)按鈕就能操作。暫且稱為按鈕A和按鈕B現(xiàn)給出一個(gè)完整的功能文字描述：在顯示時(shí)間時(shí)按A，屏幕顯示變成日期在顯示日期時(shí)按A，屏幕顯示變成秒鐘在顯示秒鐘時(shí)按A，屏幕顯示變成時(shí)間在顯示秒鐘時(shí)按B，秒鐘歸0在顯示時(shí)間時(shí)按B，屏幕 時(shí)間、日期交替顯示。在時(shí)間、日期交替顯示時(shí)按B，屏幕“時(shí)”閃爍在“時(shí)”閃爍時(shí)按B，屏幕“時(shí)”加1，超過(guò)23回0在“時(shí)”閃爍時(shí)按A，屏幕“分”閃爍在“分”閃爍時(shí)按B，屏幕“分”加1，超過(guò)59回0在“分”閃爍時(shí)按A，屏幕“月”閃爍在“月”閃爍時(shí)按B，屏幕“月”加1，超過(guò)12回0在“月”閃爍時(shí)按A，屏幕“日”閃爍在“日”閃爍時(shí)按B，屏幕“日”加1，超過(guò)31回0在“日”閃爍時(shí)按A，屏幕回到時(shí)間顯示如果按照新手的思路，嘗試去畫流程圖，很快就會(huì)陷入一頭霧水：你會(huì)發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的程序根本就沒有“確定的流程”。因?yàn)槌绦驅(qū)嶋H流程是根據(jù)人的操作而變化的。程序運(yùn)行到什么地方，完全取決于兩個(gè)鍵的次序，有無(wú)數(shù)種次序組合，根本不可能畫出流程圖來(lái)。但是我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)電子表功能的“語(yǔ)言描述”在語(yǔ)法上似乎有某種規(guī)律，就是：當(dāng)系統(tǒng)處于某狀態(tài)（S1）時(shí)，如果發(fā)生了什么事情(E)，就執(zhí)行某功能(F)，然后系統(tǒng)變成新狀態(tài)（S2）只要能用上面這句話描述的系統(tǒng)，都可以用一種狀態(tài)跳轉(zhuǎn)機(jī)制很方便的實(shí)現(xiàn)，并且一句話其實(shí)就是一個(gè)if(...)，無(wú)論有多少多復(fù)雜的功能，只要能用上面這句話描述，都可以通過(guò)狀態(tài)機(jī)編程實(shí)現(xiàn)。   我們將它們抽象。整個(gè)系統(tǒng)中有2個(gè)事件分別是：A按下，B按下A按下(可以是中斷)時(shí)執(zhí)行：{if(Status==TIME)  //當(dāng)顯示時(shí)間時(shí)按下A鍵{Status=DATE    //變成顯示日期}if(Status==DATE)  //當(dāng)顯示日期時(shí)按下A鍵{Status=SEC     //變成顯示秒鐘}if(Status==SEC)  //當(dāng)顯示秒鐘時(shí)按下A鍵{Status=TIME     //變成顯示時(shí)間}if(Status==SET_HOUR)  //當(dāng)設(shè)置“小時(shí)”時(shí)按下A鍵{Status=SET_MINUT        //變成設(shè)置“分鐘”}if(Status==SET_MINUT)  //當(dāng)設(shè)置“分鐘”時(shí)按下A鍵{Status=SET_MONTH        //變成設(shè)置“月”}..........}B按下(可以是中斷)時(shí)執(zhí)行：{if(Status==SEC)  //當(dāng)顯示秒鐘時(shí)按下B鍵{Secound=0     //秒歸0}if(Status==TIME)  //當(dāng)顯示時(shí)間時(shí)按下B鍵{Status=TIMEDATE    //變成時(shí)間日期交替顯示}if(Status==TIMEDATE)  //當(dāng)日期交替顯示時(shí)按下B鍵{Status=SET_HOUR    //變成設(shè)置“時(shí)”（時(shí)閃爍）}if(Status==SET_HOUR)  //當(dāng)設(shè)置“時(shí)”時(shí)按下B鍵{Status=Hour++      //時(shí)加1if(Hour>23) Hour=0;      }..........        }和語(yǔ)言描述完全一致，很快就能寫完程序。這就是最簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)思想。當(dāng)然，上述一大堆if可以用switch case來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際中，大量的并發(fā)過(guò)程都可以表述為狀態(tài)跳轉(zhuǎn)關(guān)系，從而將CPU從過(guò)程中解放出來(lái)，只需處理狀態(tài)關(guān)系，因?yàn)檎嬲枰狢PU的是狀態(tài)變化的時(shí)刻，而不是過(guò)程中大量的等待，這樣大量的并發(fā)過(guò)程都可以并行處理。