狀態(tài)機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重要概念。比這個概念更重要的是對它的靈活應用。在一個思路清晰而且高效的程序中，必然有狀態(tài)機的身影浮現(xiàn)。

比如說一個按鍵命令解析程序，就可以被看做狀態(tài)機：本來在A狀態(tài)下，觸發(fā)一個按鍵后切換到了B狀態(tài)；再觸發(fā)另一個鍵后切換到C狀態(tài)，或者返回到A狀態(tài)。這就是最簡單的按鍵狀態(tài)機例子。實際的按鍵解析程序會比這更復雜些，但這不影響我們對狀態(tài)機的認識。

進一步看，擊鍵動作本身也可以看做一個狀態(tài)機。一個細小的擊鍵動作包含了：釋放、抖動、閉合、抖動和重新釋放等狀態(tài)。

同樣，一個串行通信的時序（不管它是遵循何種協(xié)議，標準串口也好、I2C也好；也不管它是有線的、還是紅外的、無線的）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狀態(tài)機。

當我們打開思路，把狀態(tài)機作為一種思想導入到程序中去時，就會找到解決問題的一條有效的捷徑。有時候用狀態(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，可能會更有效。這樣一來狀態(tài)機便有了更實際的功用。

程序其實就是狀態(tài)機。

也許你還不理解上面這句話。請想想看，計算機的大廈不就是建立在“0”和“1”兩個基本狀態(tài)的地基之上么？

狀態(tài)機的要素

狀態(tài)機可歸納為4個要素，即現(xiàn)態(tài)、條件、動作、次態(tài)。這樣的歸納，主要是出于對狀態(tài)機的內(nèi)在因果關系的考慮。“現(xiàn)態(tài)”和“條件”是因，“動作”和“次態(tài)”是果。詳解如下：

①現(xiàn)態(tài)：是指當前所處的狀態(tài)。
②條件：又稱為“事件”。當一個條件被滿足，將會觸發(fā)一個動作，或者執(zhí)行一次狀態(tài)的遷移。
③動作：條件滿足后執(zhí)行的動作。動作執(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)。動作不是必需的，當條件滿足后，也可以不執(zhí)行任何動作，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)”是相對于“現(xiàn)態(tài)”而言的，“次態(tài)”一旦被激活，就轉變成新的“現(xiàn)態(tài)”了。

如果我們進一步歸納，把“現(xiàn)態(tài)”和“次態(tài)”統(tǒng)一起來，而把“動作”忽略（降格處理），則只剩下兩個最關鍵的要素，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表示一個狀態(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)、以及相互轉化關系的圖形方式。狀態(tài)遷移圖的畫法有許多種，不過一般都大同小異。我們結合一個例子來說明一下它的畫法，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(xiàn)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(jié)點圓圈：當多個箭頭指向一個狀態(tài)時，可以用節(jié)點符號（小圓圈）連接匯總。
④動作框：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)遷移圖和我們常見的流程圖相比有著本質(zhì)的區(qū)別，具體體現(xiàn)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。

我們會發(fā)現(xiàn)，這種狀態(tài)遷移圖比普通程序流程圖更簡練、直觀、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表示狀態(tài)之間的關系。這種表一般稱為狀態(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采用表格方式來描述狀態(tài)機，優(yōu)點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)的遷移關系，還可以把每個狀態(tài)的特征描述也包含在內(nèi)。
②如果表格內(nèi)容較多，過于臃腫不利于閱讀，我們也可以將狀態(tài)遷移表進行拆分。經(jīng)過拆分后的表格根據(jù)其具體內(nèi)容，表格名稱也有所變化。
③比如，我們可以把狀態(tài)特征和遷移關系分開列表。被單獨拆分出來的描述狀態(tài)特征的表格，也可以稱為“狀態(tài)真值表”。這其中比較常見的就是把每個狀態(tài)的顯示內(nèi)容單獨列表。這種描述每個狀態(tài)顯示內(nèi)容的表稱之為“顯示真值表”。同樣，我們把單獨表述基于按鍵的狀態(tài)遷移表稱為“按鍵功能真值表”。另外，如果每一個狀態(tài)包含的信息量過多，我們也可以把每個狀態(tài)單獨列表。
④由此可見，狀態(tài)遷移表作為狀態(tài)遷移圖的有益補充，它的表現(xiàn)形式是靈活的。
⑤狀態(tài)遷移表優(yōu)點是信息涵蓋面大，缺點是視覺上不夠直觀，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(xiàn)宏觀，用表格說明細節(jié)。二者互為參照，相得益彰。

用狀態(tài)機思路實現(xiàn)一個時鐘程序