有限狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)編程中的應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)編程中的應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)編程中的應(yīng)用有限狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)編程中的應(yīng)用編制僅供參考審核批準(zhǔn)生效日期地址：電話：傳真:郵編:學(xué)習(xí)筆記有限狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)編程中的應(yīng)用在單片機(jī)編程中，如果在不使用操作系統(tǒng)的情況下同時執(zhí)行多個任務(wù)，可能會遇到下面這些情況：一個任務(wù)的執(zhí)行時間過長，導(dǎo)致其他任務(wù)無法及時執(zhí)行在一些任務(wù)中大量使用delay()等函數(shù)進(jìn)行軟件延時，這些延時函數(shù)占用過多時間，影響其他任務(wù)的執(zhí)行一些復(fù)雜任務(wù)的程序邏輯不清晰，不便于以后對程序進(jìn)行維護(hù)，或添加新功能本文介紹的有限狀態(tài)機(jī)，可以做到將一個耗時較長的復(fù)雜任務(wù)分解為多個簡單任務(wù)，同時使代碼邏輯更加清晰，從而解決上述問題。目錄：1.什么是有限狀態(tài)機(jī)2.有限狀態(tài)機(jī)的作用分解耗時過長的任務(wù)避免軟件延時對CPU資源造成浪費(fèi)使程序邏輯更加清晰3.有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)通過switch-case語句實(shí)現(xiàn)通過Arduino庫實(shí)現(xiàn)其他方式4.示例一：按鍵去抖動程序的優(yōu)化傳統(tǒng)的按鍵去抖動程序優(yōu)化后的按鍵去抖動程序5.示例二：通過有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的鬧鐘程序6.后記1.什么是有限狀態(tài)機(jī)根據(jù)維基百科上的定義，有限狀態(tài)機(jī)（finite-statemachine,FSM，簡稱狀態(tài)機(jī)）是表示有限個狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型。1為了理解這句話，假設(shè)自己還有三天就要考試，這時候就要進(jìn)入緊張的備考狀態(tài)，將空閑時間用在復(fù)習(xí)上。但是，為了保證足夠的精力，小睡一會兒也是十分有必要的。那么，什么時候復(fù)習(xí)，什么時候睡覺呢可以這樣描述：在復(fù)習(xí)的時候：如果感到瞌睡，則睡覺如果沒有感覺到瞌睡，則繼續(xù)復(fù)習(xí)在小睡的時候：如果感覺不再瞌睡，則開始復(fù)習(xí)如果感覺依舊瞌睡，則繼續(xù)睡覺也可通過一幅簡單的示意圖（也叫「狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖」）表示出來：這個例子其實(shí)就是一個簡單的有限狀態(tài)機(jī)，其中，復(fù)習(xí)和小睡是兩個狀態(tài)，感覺瞌睡和感覺清醒這兩個條件可以使?fàn)顟B(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換。2另外，ProgrammingBasics3網(wǎng)站上也提供了狀態(tài)機(jī)相關(guān)的教程，用形象化的圖片解釋了什么是有限狀態(tài)機(jī)，可通過此鏈接訪問。在嵌入式程序設(shè)計中，如果一個系統(tǒng)需要處理一系列連續(xù)發(fā)生的任務(wù)，或在不同的模式下對輸入進(jìn)行不同的處理，常常使用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。例如測量、監(jiān)測、控制等控制邏輯型應(yīng)用。42.有限狀態(tài)機(jī)的作用分解耗時過長的任務(wù)大家應(yīng)該都知道，CPU沒有并行執(zhí)行任務(wù)的能力。計算機(jī)「同時」運(yùn)行多個程序，其實(shí)是多個程序依次交替執(zhí)行，給人以程序同時運(yùn)行的錯覺。各個程序在什么時候開始執(zhí)行，執(zhí)行多長時間后切換到下一個程序，由操作系統(tǒng)決定。單片機(jī)執(zhí)行多任務(wù)也是類似的過程，但由于其資源有限，為了節(jié)省對CPU和存儲空間的占用，在很多情況下沒有使用操作系統(tǒng)。這時，單片機(jī)中運(yùn)行的各個任務(wù)必須在一定時間內(nèi)主動執(zhí)行完畢，才能保證下一個任務(wù)能夠及時執(zhí)行。對于一些需要長時間執(zhí)行的任務(wù)，例如按鍵去除抖動、讀取和播放MP3文件等，采用有限狀態(tài)機(jī)的方式，將任務(wù)劃分為多個小的步驟（狀態(tài)），每次只執(zhí)行其中的一步。這樣，其他任務(wù)就有機(jī)會「插入」到這個任務(wù)之中，確保了各個任務(wù)都能按時執(zhí)行。避免軟件延時對CPU資源造成浪費(fèi)對于一些簡單的程序，可通過delay(),delay_ms()之類的函數(shù)進(jìn)行軟件延時。這些延時函數(shù)，一般是通過將某個變量循環(huán)遞加或遞加，到達(dá)一定值后跳出循環(huán)，從而通過消耗CPU時間實(shí)現(xiàn)了延時。這種方式雖然簡單，但在延時函數(shù)執(zhí)行的過程中，其他程序無法運(yùn)行，消耗了大量CPU資源。而通過狀態(tài)機(jī)，有助于減少軟件延時的使用，提高CPU利用率。請參考下文中的示例一：按鍵去抖動程序的優(yōu)化，這一例子展示了如何通過軟件延時分解耗時較長的任務(wù)，同時減少軟件延時的使用。使程序邏輯更加清晰通過狀態(tài)機(jī)，將一個復(fù)雜任務(wù)劃分為多個狀態(tài)，可以使程序清晰易懂，便于維護(hù)。以后想要添加、刪除程序中的功能，都會變得非常容易。下文中的示例二：通過狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的鬧鐘展示了如何通過狀態(tài)機(jī)優(yōu)化程序邏輯。3.有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)通過switch-case語句實(shí)現(xiàn)如果使用C語言，switch-case語句，即可簡單地實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)。/*定義各個狀態(tài)所對應(yīng)的數(shù)值*/#defineSTATUS_A0#defineSTATUS_B1#defineSTATUS_C2/*該變量的值即為當(dāng)前狀態(tài)機(jī)所處的狀態(tài)*/uint8_tcurrentStatus=STATUS_A;/*通過狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的某個任務(wù)，*需要放入while(1)等地方循環(huán)執(zhí)行*/voidfsm_app(void){switch(currentStatus)/*根據(jù)現(xiàn)在的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的程序*/{caseSTATUS_A:/*狀態(tài)A*/doThingsForStatusA();/*執(zhí)行狀態(tài)A中需要執(zhí)行的任務(wù)*//*若滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，則轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)*/if(condition_1){currentStatus=STATUE_B;}break;caseSTATUS_B:/*狀態(tài)B*/doThingsForStatusB();/*執(zhí)行狀態(tài)B中需要執(zhí)行的任務(wù)*//*若滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，則轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)*/if(condition_2){currentStatus=STATUE_C;}if(condition_3){currentStatus=STATUE_A;}break;caseSTATUS_C:/*狀態(tài)C*/doThingsForStatusB();/*執(zhí)行狀態(tài)B中需要執(zhí)行的任務(wù)*//*若滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，則轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)*/if(condition_4){currentStatus=STATUE_A;}break;default:currentStatus=STATUE_A;}}通過這段程序，即可實(shí)現(xiàn)一個具有三個狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖所示：通過Arduino庫實(shí)現(xiàn)對于Arduino用戶，還可以使用FSMLibrary實(shí)現(xiàn)。這一庫將有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了封裝，可以以更簡潔的方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)。下載地址及使用說明：其他方式對于一些更復(fù)雜的任務(wù)，使用switch-case語句，代碼可能會太簡潔。這時候，使用其他方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，可能會更好。具體請查閱相關(guān)資料。4.示例一：按鍵去抖動程序的優(yōu)化傳統(tǒng)的按鍵去抖動程序初學(xué)單片機(jī)時，我們接觸的按鍵去抖動程序一般是這樣的5：voidkeyscan(){if(key1==0)示例二：通過有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的鬧鐘程序最近正在制作一個鬧鐘。這個鬧鐘支持播放MP3格式的鬧鐘聲6，支持貪睡模式，同時還有一些功能打算以后再添加上。為了使程序邏輯更加清晰，也為了更方便