状态机思路在程序设计中的应用

状态机思路在程序设计中的应用
状态机思路在单片机程序设计中的应用 状态机的概念 状态机是软件编程中的一个重要概念。 比这个概念更重要的是对它的灵活应用。 在一个思路 清晰而且高效的程序中,必然有状态机的身影浮现。

比如说一个按键命令解析程序,就可以被看做状态机:本来在 A 状态下,触发一个按键后切 换到了 B 状态;再触发另一个键后切换到 C 状态,或者返回到 A 状态。这就是最简单的按键 状态机例子。实际的按键解析程序会比这更复杂些,但这不影响我们对状态机的认识。

进一步看, 击键动作本身也可以看做一个状态机。 一个细小的击键动作包含了: 释放、 抖动、 闭合、抖动和重新释放等状态。

同样,一个串行通信的时序(不管它是遵循何种协议,标准串口也好、I2C 也好;也不管它 是有线的、还是红外的、无线的)也都可以看做由一系列有限的状态构成。

显示扫描程序也是状态机; 通信命令解析程序也是状态机; 甚至连继电器的吸合/释放控制、 发光管(LED)的亮/灭控制又何尝不是个状态机。

当我们打开思路, 把状态机作为一种思想导入到程序中去时, 就会找到解决问题的一条有效 的捷径。有时候用状态机的思维去思考程序该干什么,比用控制流程的思维去思考,可能会 更有效。这样一来状态机便有了更实际的功用。

程序其实就是状态机。

也许你还不理解上面这句话。请想想看,计算机的大厦不就是建立在“0”和“1”两个基本 状态的地基之上么? 状态机的要素 状态机可归纳为 4 个要素,即现态、条件、动作、次态。这样的归纳,主要是出于对状态机 的内在因果关系的考虑。“现态”和“条件”是因,“动作”和“次态”是果。详解如下:

①现态:是指当前所处的状态。

②条件:又称为“事件”。当一个条件被满足,将会触发一个动作,或者执行一次状态的迁 移。

③动作:条件满足后执行的动作。动作执行完毕后,可以迁移到新的状态,也可以仍旧保持 原状态。动作不是必需的,当条件满足后,也可以不执行任何动作,直接迁移到新状态。

④次态:条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的,“次态”一旦被 激活,就转变成新的“现态”了。

如果我们进一步归纳,把“现态”和“次态”统一起来,而把“动作”忽略(降格处理), 则只剩下两个最关键的要素,即:状态、迁移条件。

状态机的表示方法有许多种,我们可以用文字、图形或表格的形式来表示一个状态机。

纯粹用文字描述是很低效的,所以就不介绍了。接下来先介绍图形的方式。 状态迁移图(STD) 状态迁移图(STD),是一种描述系统的状态、以及相互转化关系的图形方式。状态迁移图 的画法有许多种,不过一般都大同小异。我们结合一个例子来说明一下它的画法,如图 1 所示。

图 1 状态迁移图

①状态框:用方框表示状态,包括所谓的“现态”和“次态”。 ②条件及迁移箭头:用箭头表示状态迁移的方向,并在该箭头上标注触发条件。

③节点圆圈:当多个箭头指向一个状态时,可以用节点符号(小圆圈)连接汇总。

④动作框:用椭圆框表示。

⑤附加条件判断框:用六角菱形框表示。

状态迁移图和我们常见的流程图相比有着本质的区别,具体体现为:在流程图中,箭头代表 了程序 PC 指针的跳转;而在状态迁移图中,箭头代表的是状态的改变。

我们会发现,这种状态迁移图比普通程序流程图更简练、直观、易懂。这正是我们需要达到 的目的。 状态迁移表 除了状态迁移图, 我们还可以用表格的形式来表示状态之间的关系。 这种表一般称为状态迁 移表。

表 1 就是前面介绍的那张状态迁移图的另一种描述形式。 表 1 状态迁移表

①采用表格方式来描述状态机,优点是可容纳更多的文字信息。例如,我们不但可以在状态 迁移表中描述状态的迁移关系,还可以把每个状态的特征描述也包含在内。

②如果表格内容较多,过于臃肿不利于阅读,我们也可以将状态迁移表进行拆分。经过拆分 后的表格根据其具体内容,表格名称也有所变化。

③比如, 我们可以把状态特征和迁移关系分开列表。 被单独拆分出来的描述状态特征的表格, 也可以称为“状态真值表”。这其中比较常见的就是把每个状态的显示内容单独列表。这种 描述每个状态显示内容的表称之为“显示真值表”。同样,我们把单独表述基于按键的状态 迁移表称为“按键功能真值表”。另外,如果每一个状态包含的信息量过多,我们也可以把 每个状态单独列表。

④由此可见,状态迁移表作为状态迁移图的有益补充,它的表现形式是灵活的。

⑤状态迁移表优点是信息涵盖面大, 缺点是视觉上不够直观, 因此它并不能取代状态迁移图。 比较理想的是将图形和表格结合应用。用图形展现宏观,用表格说明细节。二者互为参照, 相得益彰。 用状态机思路实现一个时钟程序 接下来,我将就状态机的应用,结合流程图、状态迁移图和状态迁移,举一个实际例子。下 面这张图是一个时钟程序的状态迁移图,如图 2 所示。

图 2 时钟程序状态迁移图

把这张图稍做归纳,就可以得到它的另一种表现形式——状态迁移表,如表 2 所示。 表 2 时钟程序状态迁移表

状态机应用的注意事项 基于状态机的程序调度机制, 其应用的难点并不在于对状态机概念的理解, 而在于对系统工 作状态的合理划分。

初学者往往会把某个“程序动作”当作是一种“状态”来处理。我称之为“伪态”。那么如 何区分“动作”和“状态”。本匠人的心得是看二者的本质:“动作”是不稳定的,即使没 有条件的触发,“动作”一旦执行完毕就结束了;而“状态”是相对稳定的,如果没有外部 条件的触发,一个状态会一直持续下去。

初学者的另一种比较致命的错误,就是在状态划分时漏掉一些状态。我称之为“漏态”。

“伪态”和“漏态”这两种错误的存在,将会导致程序结构的涣散。因此要特别小心避免。 更复杂的状态机 前面介绍的是一种简单的状态结构。它只有一级,并且只有一维,如图 3 所示。

图 3 线性状态机结构

如果有必要,我们可以建立更复杂的状态机模型。

1 多级状态结构 状态机可以是多级的。在分层的多级状态机系统里面,一个“父状态”下可以划分多个“子 状态”,这些子状态共同拥有上级父状态的某些共性,同时又各自拥有自己的一些个性。

在某些状态下,还可以进一步划分子状态。比如,我们可以把前面的时钟例子修改如下: 把所有和时钟功能有关的状态,合并成 1 个一级状态。在这个状态下,又可以划分出 3 个二 级子状态,分别为显示时间、设置小时、设置分钟;

同样,我们也可以把所有和闹钟功能有关的状态,合并成 1 个一级状态。在这个状态下,再 划分出 4 个二级子状态,分别为显示闹钟、设置“时”、设置“分”、设置鸣叫时间。

我们需要用另一个状态变量(寄存器)来表示这些子状态。

子状态下面当然还可以有更低一级的孙状态(子子孙孙无穷尽也),从而将整个状态体系变 成了树状多级状态结构,如图 4 所示。

图 4 树状多级状态结构

2 多维状态结构 状态结构也可以是多维的。 从不同的角度对系统进行状态的划分, 这些状态的某些特性是交 叉的。比如,在按照按键和显示划分状态的同时,又按照系统的工作进程做出另一种状态划 分。这两种状态划分同时存在,相互交叉,从而构成了二维的状态结构空间。

举一个这方面的例子,如:空调遥控器,如图 5 所示。

图 5 多维状态机结构

同样,我们也可以构建三维、四维甚至更多维的状态结构。每一维的状态都需要用一个状态 变量(寄存器)来表示。

无论多级状态结构和多维状态结构看上去多么迷人, 匠人的忠告是: 我们依然要尽可能地简 化状态结构,能用单级、单维的结构,就不要给自己找事,去玩那噩梦般的复杂结构。

简单的才是最有效的。 结束语 对状态机的理解需要一个由浅入深的过程。 这个过程应该是与实践应用和具体案例思考相结 合的。当一种良好的思路成为设计的习惯,它就能给设计者带来回报。愿这篇手记里介绍的 基于状态机的编程思路能给新手们带来一些启迪,帮助大家找到“程序设计”的感觉。


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