狀態(tài)機簡(jiǎn)介及其思路在單片機程序設計中的應用

狀態(tài)機的概念
狀態(tài)機是軟件編程中的一個(gè)重要概念。比這個(gè)概念更重要的是對它的靈活應用。在一個(gè)思路清晰而且高效的程序中，必然有狀態(tài)機的身影浮現。

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：本來(lái)在A(yíng)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)機例子。實(shí)際的按鍵解析程序會(huì )比這更復雜些，但這不影響我們對狀態(tài)機的認識。

進(jìn)一步看，擊鍵動(dòng)作本身也可以看做一個(gè)狀態(tài)機。一個(gè)細小的擊鍵動(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，標準串口也好、I2C也好；也不管它是有線(xiàn)的、還是紅外的、無(wú)線(xiàn)的）也都可以看做由一系列有限的狀態(tài)構成。

顯示掃描程序也是狀態(tài)機；通信命令解析程序也是狀態(tài)機；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。

當我們打開(kāi)思路，把狀態(tài)機作為一種思想導入到程序中去時(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)機便有了更實(shí)際的功用。

程序其實(shí)就是狀態(tài)機。

也許你還不理解上面這句話(huà)。請想想看，計算機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)機的要素
狀態(tài)機可歸納為4個(gè)要素，即現態(tài)、條件、動(dòng)作、次態(tài)。這樣的歸納，主要是出于對狀態(tài)機的內在因果關(guān)系的考慮。“現態(tài)”和“條件”是因，“動(dòng)作”和“次態(tài)”是果。詳解如下：

①現態(tài)：是指當前所處的狀態(tài)。

②條件：又稱(chēng)為“事件”。當一個(gè)條件被滿(mǎn)足，將會(huì )觸發(fā)一個(gè)動(dòng)作，或者執行一次狀態(tài)的遷移。

③動(dòng)作：條件滿(mǎn)足后執行的動(dòng)作。動(dòng)作執行完畢后，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，當條件滿(mǎn)足后，也可以不執行任何動(dòng)作，直接遷移到新?tīng)顟B(tài)。

④次態(tài)：條件滿(mǎn)足后要遷往的新?tīng)顟B(tài)。“次態(tài)”是相對于“現態(tài)”而言的，“次態(tài)”一旦被激活，就轉變成新的“現態(tài)”了。

如果我們進(jìn)一步歸納，把“現態(tài)”和“次態(tài)”統一起來(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。

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），是一種描述系統的狀態(tài)、以及相互轉化關(guān)系的圖形方式。狀態(tài)遷移圖的畫(huà)法有許多種，不過(guò)一般都大同小異。我們結合一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明一下它的畫(huà)法，如圖1所示。

圖1 狀態(tài)遷移圖

①狀態(tài)框：用方框表示狀態(tài)，包括所謂的“現態(tài)”和“次態(tài)”。

②條件及遷移箭頭：用箭頭表示狀態(tài)遷移的方向，并在該箭頭上標注觸發(fā)條件。

③節點(diǎn)圓圈：當多個(gè)箭頭指向一個(gè)狀態(tài)時(shí)，可以用節點(diǎn)符號（小圓圈）連接匯總。

④動(dòng)作框：用橢圓框表示。

⑤附加條件判斷框：用六角菱形框表示。

狀態(tài)遷移圖和我們常見(jiàn)的流程圖相比有著(zhù)本質(zhì)的區別，具體體現為：在流程圖中，箭頭代表了程序PC指針的跳轉；而在狀態(tài)遷移圖中，箭頭代表的是狀態(tài)的改變。

我們會(huì )發(fā)現，這種狀態(tài)遷移圖比普通程序流程圖更簡(jiǎn)練、直觀(guān)、易懂。這正是我們需要達到的目的。

狀態(tài)遷移表
除了狀態(tài)遷移圖，我們還可以用表格的形式來(lái)表示狀態(tài)之間的關(guān)系。這種表一般稱(chēng)為狀態(tài)遷移表。

表1就是前面介紹的那張狀態(tài)遷移圖的另一種描述形式。

表1 狀態(tài)遷移表

①采用表格方式來(lái)描述狀態(tài)機，優(yōu)點(diǎn)是可容納更多的文字信息。例如，我們不但可以在狀態(tài)遷移表中描述狀態(tài)的遷移關(guān)系，還可以把每個(gè)狀態(tài)的特征描述也包含在內。

②如果表格內容較多，過(guò)于臃腫不利于閱讀，我們也可以將狀態(tài)遷移表進(jìn)行拆分。經(jīng)過(guò)拆分后的表格根據其具體內容，表格名稱(chēng)也有所變化。

③比如，我們可以把狀態(tài)特征和遷移關(guān)系分開(kāi)列表。被單獨拆分出來(lái)的描述狀態(tài)特征的表格，也可以稱(chēng)為“狀態(tài)真值表”。這其中比較常見(jiàn)的就是把每個(gè)狀態(tài)的顯示內容單獨列表。這種描述每個(gè)狀態(tài)顯示內容的表稱(chēng)之為“顯示真值表”。同樣，我們把單獨表述基于按鍵的狀態(tài)遷移表稱(chēng)為“按鍵功能真值表”。另外，如果每一個(gè)狀態(tài)包含的信息量過(guò)多，我們也可以把每個(gè)狀態(tài)單獨列表。

④由此可見(jiàn)，狀態(tài)遷移表作為狀態(tài)遷移圖的有益補充，它的表現形式是靈活的。

⑤狀態(tài)遷移表優(yōu)點(diǎn)是信息涵蓋面大，缺點(diǎn)是視覺(jué)上不夠直觀(guān)，因此它并不能取代狀態(tài)遷移圖。比較理想的是將圖形和表格結合應用。用圖形展現宏觀(guān)，用表格說(shuō)明細節。二者互為參照，相得益彰。

用狀態(tài)機思路實(shí)現一個(gè)時(shí)鐘程序
接下來(lái)，我將就狀態(tài)機的應用，結合流程圖、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。