摘要：不知道大家有没有这样一种感觉，可以玩单片机，各个功能模块也可以驱动，但是如果让你写一套完整的代码，没有逻辑和框架可以说，上来就开始写！东抄抄抄抄抄。说明编程还处于比较低的水平，那么如何才能提高自己的编程水平呢？学习一个好的编程框架或者一个编程思想可能会受用一生！比如模块化编程、框架编程、状态机编程等等，都是不错的框架。今天要讲的是状态机编程。由于文章篇幅较长，请大家慢慢欣赏。那么状态机是什么样的呢？状态机（statemachine）有五个要素，即状态（state）、转换（transition）、事件（event）、动作（action）、条件（guard）。什么是状态机？状态机是这样的：状态机有五个元素，分别是state、transition、event、action和guard。状态：系统在某一时刻的稳定工作状态，系统在整个工作周期中可能有多种状态。例如，电机有正转、反转和停止三种状态。状态机需要在状态集中选择一个状态作为初始状态。迁移：系统从一种状态迁移到另一种状态的过程称为迁移。迁移不会自动发生，需要对系统进行外部影响。失速的电机不会自行启动，因此必须通电才能使其启动。事件：在特定时刻发生的对系统有意义的事情。状态机之所以会发生状态转移，是因为某个事件的发生。对于电机来说，加正电压、加负电压、断电都是事件。Action：在状态机的迁移过程中，状态机会进行一些其他的行为，这些行为就是动作，动作就是状态机对事件的响应。给堵转电机施加正电压，电机由堵转状态转为正转状态，同时电机启动。这个启动过程可以看作是一个动作，即对开机事件的响应。条件：状态机不响应事件。对于事件，状态机必须满足特定条件才能发生状态转换。仍以电机处于堵转状态为例。虽然打开了开关并通电了，但是如果供电线有问题，电机还是不能转动。只谈概念太空了。举个小例子：一个MCU，一个按键，两个LED灯（记为L1和L2），一个人就够了！规则说明：1.L1L2状态转换顺序OFF/OFF--->ON/OFF--->ON/ON--->OFF/ON--->OFF/OFF2.通过按键控制L1L2的状态按钮，每次状态转换需要连续按下5次。3.L1L2OFF/OFF的初始状态图1根据功能需求编写如下程序。程序清单List1：voidmain(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{;/*idlecode*/}}}voidfsm_active(void){if(g_stFSM.u8KeyCnt>3)/*按键是否满5次*/{switch(g_stFSM.u8LedStat){caseLS_OFFOFF:led_on(LED1);/*输出动作*/g_stFSM.u8KeyCnt=0;g_stFSM.u8LedStat=LS_ONOFF;/*状态转换*/break;caseLS_ONOFF:led_on(LED2);/*输出动作*/g_stFSM.u8KeyCnt=0;g_stFSM.u8LedStat=LS_ONON;/*状态转换*/break;caseLS_ONON:led_off(LED1);/*输出动作*/g_stFSM.u8KeyCnt=0;g_stFSM.u8LedStat=LS_OFFON;/*状态转换*/break;caseLS_OFFON:led_off(LED2);/*输出动作*/g_stFSM.u8KeyCnt=0;g_stFSM.u8LedStat=LS_OFFOFF;/*状态转换*/break;默认:/*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，只记录击键次数*/}}其实在状态机编程中，正确的顺序应该是状态转移图在前，程序在后，程序应该按照设计好的状态图来写。不过考虑到有的童鞋会觉得代码比转换图更友好，所以我还是先放程序吧。此状态转换图是使用UML（统一建模语言）语法元素绘制的。语法不是很标准，但足以说明问题。图2按键控制流水灯状态转换图圆角矩形代表状态机的各个状态，里面标出了状态的名称。带箭头的直线或弧线表示状态转换，从初始状态开始到下一个状态结束。图中文字内容为迁移说明，格式为：事件[条件]/动作列表（后两项可选）。“事件[条件]/动作列表”的含义是：如果某个状态发生了“事件”，并且状态机满足“[条件]”，则必须执行这个状态转移，同时响应事件的一系列“动作”。在此示例中，我将“KEY”用于击键事件。图中有一个黑色实心点，表示状态机在工作之前处于未知状态。必须强制状态机从这个状态迁移到初始状态才能运行。此迁移可以有一个操作列表（如图1所示），但不需要触发事件。图中还有一个包含实心黑点的圆圈，表示状态机生命周期结束。在这个例子中，状态机是无穷无尽的，所以没有状态指向这个圆圈。这张状态转换图就不多说了，相信大家通过上面的代码就可以轻松看懂了。现在我们来谈谈程序列表List1。先看fsm_active()函数，g_stFSM.u8KeyCnt=0;这条语句在switch-case中出现了5次，前4次作为每次状态转换的动作出现。从代码简化和效率提升的角度来看，我们可以在switch-case语句之前将这5次合并为1次。两者的效果是完全一样的。之所以代码这么冗长，是为了清晰地展示每一次状态转移中的所有动作细节，这种方式完全符合图2中状态转移图所表达的意图。再看一下状态机结构体变量g_stFSM，它有两个成员：u8LedStat和u8KeyCnt。用这个结构做状态机好像有点啰嗦。我们可以只使用像u8LedStat这样的整数变量来制作状态机吗？当然！我们把图2中的4个状态拆分成5个小状态，这样这个状态机也可以用20个状态来实现，只需要一个unsignedchar类型的变量就够了，每次按键都会触发状态转换，LED的状态每5次转换就可以换光，从外面看这两种方法的效果是完全一样的。假设我改变功能需求，通过连续击键5次改变L1L2的状态，变成连续击键100次改变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语句必须有400个case。有什么办法可以写出这样的程序吗？！同样的功能变化，如果使用g_stFSM的结构来实现状态机，函数fsm_active()只需要将if(g_stFSM.u8KeyCnt>3)改为if(g_stFSM.u8KeyCnt>98)即可！g_stFSM结构体的两个成员中，u8LedStat可以看作是一个质变因子，相当于主变量；u8KeyCnt可以看作是一个量变因子，相当于一个辅助变量。量变因素的逐渐积累，会引起质变因素的变化。像g_stFSM这样的状态机被称为扩展状态机。不知道行业里正式的中文术语怎么说，只好把英文短语搬过来了。2、状态机编程的优点说了这么多，大家大概明白了什么是状态机，也知道怎么写状态机程序了。那么用状态机写单片机程序有什么好处呢？？(1)提高CPU使用效率。换句话说，只要我看到一个充满了delay_ms()的程序，我就会很痛苦。十几ms、几十ms的软件延迟是对CPU资源的巨大浪费。宝贵的CPU机器时间浪费在NOP指令上。一直停留在等待一个pin电平转换或者一个串口数据的程序也让我很纠结。如果事件永远不会发生，您是否必须等到世界末日？通过把程序变成状态机，这种情况就会发生明显的改变。程序只需要用全局变量记录工作状态，就可以转身去做其他的工作。不用找了。只要目标事件（定时未到，电平未跳变，串口数据被没收）未发生，工作状态就不会发生变化，程序会一直重复“query-dosomethingelse”-query-dosomethingelse”循环，这样CPU就不会空闲了。程序列表List3中，if{}else{}语句中else下面的内容（代码没有加，只是加了一个/*idlecode*/的注释）就是上面说的“其他工作”。这种处理方式的本质是在程序等待事件的过程中，每隔一段时间插入一些有意义的工作，让CPU不会一直无谓地等待。(2)逻辑完备性我觉得逻辑完备性是状态机编程最大的优势。不知道大家有没有用C语言写过计算器的小程序。我很久以前写的。写出来测试之后，太恐怖了！当我有规律地输入计算公式时，程序可以得到正确的计算结果，但如果我故意输入数字和运算符号的随机组合，程序总是会得到莫名其妙的结果。后来，我尝试模拟程序的工作过程。正确的公式，思路清晰，流畅，但遇到不规则的公式，走路就头晕。这么多的flags，那么多的Variables，来来回回变，最后直接分析不出来。时间长了，当我对状态机有所了解的时候，才恍然大悟，原来当时的程序是有逻辑漏洞的。如果把计算器程序看成一个反应系统，那么一个数字或运算符就可以看成一个事件，一个计算公式就是一组事件的组合。对于一个逻辑完整的反应式系统，无论是何种事件组合，系统都能正确处理事件，系统自身的工作状态始终处于可知可控状态。反之，如果一个系统的逻辑功能不完整，在某种特定的事件组合的驱动下，系统就会进入不可知、不可控的状态，这有悖于设计者的本意。状态机可以解决逻辑完整性问题。状态机是一种以系统状态和事件为变量的设计方法。它侧重于每个状态的特征和状态之间的关系。状态的转变恰恰是由一个事件引起的，所以在研究一个具体的状态时，我们自然会考虑任何一个事件对这个状态的影响。这样一来，每个州发生的每个事件都会在我们的考虑范围之内，不会留下任何逻辑漏洞。这么一说，可能大家会觉得是空话，真知是实践出来的。有一天，如果你真的想设计一个逻辑复杂的程序，我保证你会说：哇！状态机真的好用！(3)清晰的程序结构用状态机编写的程序结构非常清晰。程序员最痛苦的事情就是看别人写的代码。如果代码不是很规范，手上又没有流程图，读代码会让人头晕目眩。只有一遍又一遍地跟着程序走，多次之后才能隐约明白程序的大致工作流程。有流程图就更好了，但是如果程序比较大，流程图就不??会画的很详细了，流程的很多细节还是需要从代码中去理解。相比之下，用状态机编写的程序要好得多。拿一张标准的UML状态转换图，配上一些简洁的文字描述，程序中的每一个元素都能一目了然。程序中有哪些状态，会发生什么事件，状态机如何响应，响应后跳转到哪个状态，这些都非常清楚，甚至很多动作细节都可以从状态转换图中找到。毫不夸张的说，有了UML状态转换图，就不用再写程序流程图了。
