狀態(tài)機(jī)思路在單片機(jī)程序設(shè)計中的應(yīng)用1,狀態(tài)機(jī)的概念:狀態(tài)機(jī)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(yīng)用。在一個思路清晰而且高效的程序中，必然有狀態(tài)機(jī)的身影浮現(xiàn)。比如說一個按鍵命令解析程序，就可被看做狀態(tài)機(jī)：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)。最簡按鍵狀態(tài)機(jī)例。實際按鍵解析程序比這更復(fù)雜，但不影響我們對狀態(tài)機(jī)的認(rèn)識。進(jìn)一步，擊鍵動作本身也可看做一個狀態(tài)機(jī)。一個細(xì)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(biāo)準(zhǔn)串口也好、I2C也好；也不管它是有線的、還是紅外的、無線的）也都可看做由一系列有限的狀態(tài)構(gòu)成。顯示掃描程序也是狀態(tài)機(jī)；通信命令解析程序也是狀態(tài)機(jī)；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(jī)。當(dāng)我們打開思路，把狀態(tài)機(jī)作為一種思想導(dǎo)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(jī)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(jī)便有了更實際的功用。2,程序其實就是狀態(tài)機(jī):也許你還不理解上面這句話。請想想看，計算機(jī)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？3,狀態(tài)機(jī)的要素:狀態(tài)機(jī)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(jī)的內(nèi)在因果關(guān)系的考慮?！艾F(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(dāng)前所處的狀態(tài)。②條件：又稱為“事件”。當(dāng)一條件被滿足，將觸發(fā)一動作，或執(zhí)行一狀態(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，可遷移到新狀態(tài)，也可仍舊保持原狀。動作非必需的，當(dāng)條件滿足后，也可不執(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(zhuǎn)變成新的“現(xiàn)態(tài)”了。若我們進(jìn)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(guān)鍵的要素，即：狀態(tài)、遷移條件。狀態(tài)機(jī)的表示方法有多種，可用文字、圖形或表格的形式來表示一個狀態(tài)機(jī)。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。4,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(zhuǎn)化關(guān)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(jié)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(biāo)注觸發(fā)條件。③節(jié)點圓圈：當(dāng)多個箭頭指向一個狀態(tài)時，可用節(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(zhuǎn)；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(dá)到的目的。狀態(tài)遷移表除了狀態(tài)遷移圖，我們還可用表格的形式來表示狀態(tài)之間的關(guān)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)遷移表狀態(tài)（現(xiàn)態(tài)）狀態(tài)描述條件動作次態(tài)狀態(tài)1條件1狀態(tài)2條件2動作1狀態(tài)3狀態(tài)2條件3附加條件滿足狀態(tài)4附加條件不滿足狀態(tài)3條件5狀態(tài)1條件6動作2狀態(tài)2狀態(tài)3條件4狀態(tài)4條件5狀態(tài)1狀態(tài)4條件5狀態(tài)1①采用表格方式來描述狀態(tài)機(jī)，優(yōu)點是可容納更多的文字信息。例如，我們不但可在狀態(tài)遷移表中描述狀態(tài)的遷移關(guān)系，還可把每個狀態(tài)的特征描述也包含在內(nèi)。②若表格內(nèi)容較多，過于臃腫不利于閱讀，我們也可將狀態(tài)遷移表進(jìn)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，我們可把狀態(tài)特征和遷移關(guān)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，若每一個狀態(tài)包含的信息量過多，我們也可把每個狀態(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(bǔ)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(jié)合應(yīng)用。用圖形展現(xiàn)宏觀，用表格說明細(xì)節(jié)。二者互為參照，相得益彰。用狀態(tài)機(jī)思路實現(xiàn)一個時鐘程序接下來，我將就狀態(tài)機(jī)的應(yīng)用，結(jié)合流程圖、狀態(tài)遷移圖和狀態(tài)遷移，舉一個實際例子。下面這張圖是一個時鐘程序的狀態(tài)遷移圖，如圖2所示。圖2時鐘程序狀態(tài)遷移圖把這張圖稍做歸納，就可得到它的另一種表現(xiàn)形式——狀態(tài)遷移表，如表2所示。表2時鐘程序狀態(tài)遷移表工作狀態(tài)（現(xiàn)態(tài)）狀態(tài)描述A鍵B鍵顯示內(nèi)容編號說明次態(tài)功能次態(tài)功能0顯示時間1-3-時：分：秒（12：00：001狀態(tài)2顯示鬧鐘2-5-時：分（12：00）2顯示秒表0--啟動/停止時：分：秒（12：00：003設(shè)置小時-時+14-（12：▋▋：▋▋）4設(shè)置分鐘-分+1；秒=00-（▋▋：00：00）5設(shè)置鬧鐘“時”-時+16-（TM：00：▋▋）6設(shè)置鬧鐘“分”-分+17-（TM：▋▋：00）7設(shè)置鳴叫時間-鳴叫分鐘+11-（TM：SP：00狀態(tài)機(jī)應(yīng)用的注意事項基于狀態(tài)機(jī)的程序調(diào)度機(jī)制，其應(yīng)用的難點并不在于對狀態(tài)機(jī)概念的理解，而在于對系統(tǒng)工作狀態(tài)的合理劃分。初學(xué)者往往會把某個“程序動作”當(dāng)作是一種“狀態(tài)”來處理。我稱之為“偽態(tài)”。那么如何區(qū)分“動作”和“狀態(tài)”。本匠人的心得是看二者的本質(zhì)：“動作”是不穩(wěn)定的，即使沒有條件的觸發(fā)，“動作”一旦執(zhí)行完畢就結(jié)束了；而“狀態(tài)”是相對穩(wěn)定的，若沒有外部條件的觸發(fā)，一個狀態(tài)會一直持續(xù)下去。初學(xué)者的另一種比較致命的錯誤，就是在狀態(tài)劃分時漏掉一些狀態(tài)。我稱之為“漏態(tài)”?！皞螒B(tài)”和“漏態(tài)”這兩種錯誤的存在，將會導(dǎo)致程序結(jié)構(gòu)的渙散。因此要特別小心避免。更復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)前面介紹的是一種簡單的狀態(tài)結(jié)構(gòu)。它只有一級，并且只有一維，如圖3所示。圖3線性狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)若有必要，我們可建立更復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)模型。1多級狀態(tài)結(jié)構(gòu)狀態(tài)機(jī)可是多級的。在分層的多級狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)中，一“父狀態(tài)”下可劃分多個“子狀態(tài)”，這些子狀態(tài)共同擁有上級父狀態(tài)的某些共性，同時又各自擁有自己的一些個性。在某些狀態(tài)下，還可進(jìn)一步劃分子狀態(tài)。如我們可把前面的時鐘例子修改如下：

把所有和時鐘功能有關(guān)的狀態(tài)，合并成1個一級狀態(tài)。在這個狀態(tài)下，又可劃分出3個二級子狀態(tài)，分別為顯示時間、設(shè)置小時、設(shè)置分鐘；同樣，我們也可把所有和鬧鐘功能有關(guān)的狀態(tài)，合并成1個一級狀態(tài)。在此狀態(tài)下，再劃分出4個二級子狀態(tài)，分別為顯示鬧鐘、設(shè)置“時”、設(shè)置“分”、設(shè)置鳴叫時間。我們需要用另一個狀態(tài)變量（寄存器）來表示這些子狀態(tài)。子狀態(tài)下面當(dāng)然還可有更低一級的孫狀態(tài)（子子孫孫無窮盡也），從而將整個狀態(tài)體系變成了樹狀多級狀態(tài)結(jié)構(gòu)，如圖4所示。圖4樹狀多級狀態(tài)結(jié)構(gòu)2多維狀態(tài)結(jié)構(gòu)狀態(tài)結(jié)構(gòu)也可是多維的。從不同的角度對系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)的劃分，這些狀態(tài)的某些特性是交叉的。比如，在按照按鍵和顯示劃分狀態(tài)的同時，又按照系統(tǒng)的工作進(jìn)程做出另一種狀態(tài)劃分。這兩種狀態(tài)劃分同時存在，相互交叉，從而構(gòu)成了二維的狀態(tài)結(jié)構(gòu)空間。舉一個這方面的例子，如：空調(diào)遙控器，如圖5所示。圖5多維狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)同樣，我們也可構(gòu)建三維、四維甚至更多維的狀態(tài)結(jié)構(gòu)。每一維的狀態(tài)都需要用一個狀態(tài)變量（寄存器）來表示。無論多級狀態(tài)結(jié)構(gòu)和多維狀態(tài)結(jié)構(gòu)看上去多么迷人，匠人的忠告是：我們依然要盡可能地簡化狀態(tài)結(jié)構(gòu)，能用單級、單維的結(jié)構(gòu)，就不要給自己找事，去玩那噩夢般的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。簡單的才是最有效的。結(jié)束語對狀態(tài)機(jī)的理解需要一個由淺入深的過程。這個過程應(yīng)該是與實踐應(yīng)用和具體案例思考相結(jié)合的。當(dāng)一種良好的思路成為設(shè)計的習(xí)慣，它就能給設(shè)計者帶來回報。愿這篇手記里介紹的基于狀態(tài)機(jī)的編程思路能給新手們帶來一些啟迪，幫助大家找到“程序設(shè)計”的感覺?！巨D(zhuǎn)載1】有限狀態(tài)機(jī)的實現(xiàn)<type="text/javascript">有限狀態(tài)機(jī)（FiniteStateMachine或者FiniteStateAutomata)是軟件領(lǐng)域中一種重要的工具，很多東西的模型實際上就是有限狀態(tài)機(jī)。最近看了一些游戲編程AI的材料，感覺游戲中的AI，第一要說的就是有限狀態(tài)機(jī)來實現(xiàn)精靈的AI，然后才是A*尋路，其他學(xué)術(shù)界討論比較多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等問題還不是很熱。FSM的實現(xiàn)方式：1）switch/case或者if/else這無意是最直觀的方式，使用一堆條件判斷，會編程的人都可做到，對簡單小巧的狀態(tài)機(jī)來說最合適，但是毫無疑問，這樣的方式比較原始，對龐大的狀態(tài)機(jī)難以維護(hù)。2）狀態(tài)表維護(hù)一個二維狀態(tài)表，橫坐標(biāo)表示當(dāng)前狀態(tài)，縱坐標(biāo)表示輸入，表中一個元素存儲下一個狀態(tài)和對應(yīng)的操作。這一招易于維護(hù)，但是運(yùn)行時間和存儲空間的代價較大。3）使用StatePattern使用StatePattern使得代碼的維護(hù)比switch/case方式稍好，性能上也不會有很多的影響，但是也不是100％完美。不過RobertC.Martin做了兩個自動產(chǎn)生FSM代碼的工具，forjava和forC++各一個，在/resources/index上有免費下載，這個工具的輸入是純文本的狀態(tài)機(jī)描述，自動產(chǎn)生符合StatePattern的代碼，這樣developer的工作只需要維護(hù)狀態(tài)機(jī)的文本描述，每必要冒引入bug的風(fēng)險去維護(hù)code。4）使用宏定義描述狀態(tài)機(jī)一般來說，C++編程中應(yīng)該避免使用#define，但是這主要是因為若用宏來定義函數(shù)的話，很容易產(chǎn)生這樣那樣的問題，但是巧妙的使用,還是能夠產(chǎn)生奇妙的效果。MFC就是使用宏定義來實現(xiàn)大的架構(gòu)的。在實現(xiàn)FSM的時候，可把一些繁瑣無比的if/else還有花括號的組合放在宏中，這樣，在代碼中可3）中狀態(tài)機(jī)描述文本一樣寫，通過編譯器的預(yù)編譯處理產(chǎn)生1）一樣的效果，我見過產(chǎn)生C代碼的宏，若要產(chǎn)生C++代碼，己軟MFC可，那么理論上也是可行的。這兒以四位密碼校驗作為狀態(tài)機(jī)的例子，連續(xù)輸入2479就可通過密碼測試。一個非常簡單的例子，在實際的狀態(tài)機(jī)實例中，狀態(tài)轉(zhuǎn)移表要更復(fù)雜一些，不過方式非常類似。在狀態(tài)查詢的地方可做優(yōu)化，同時對于輸入量也可做有效性優(yōu)化。具體代碼如下：viewplaincopytoclipboardprint?c.htypedefenum{STATE1=1,STATE2,STATE3,STATE4,STATE5,//passwordpass//...ADDhere}STATE;typedefenum{INPUT1='2',INPUT2='4',INPUT3='7',INPUT4='9',}INPUT;typedefstruct{STATEcur_state;INPUTinput;STATEnext_state;}STATE_TRANS;c.htypedefenum{STATE1=1,STATE2,STATE3,STATE4,STATE5,//passwordpass//...ADDhere}STATE;typedefenum{INPUT1='2',INPUT2='4',INPUT3='7',INPUT4='9',}INPUT;typedefstruct{STATEcur_state;INPUTinput;STATEnext_state;}STATE_TRANS;c.c#include<stdio.h>#include"c.h"STATE_TRANSstate_trans_arry[]={{STATE1,INPUT1,STATE2},{STATE2,INPUT2,STATE3},{STATE3,INPUT3,STATE4},{STATE4,INPUT4,STATE5},};#defineSTATE_TRANS_CNT(sizeof(state_trans_arry)/sizeof(state_trans_arry[0]))intmain(){inti;charch;STATEstate_machine=STATE1;while(ch!='e'){ch=getchar();if((ch>='0')&&(ch<='9'))//fordigitpasswordinputonly{for(i=0;i<STATE_TRANS_CNT;i++){if((ch==state_trans_arry[i].input)&&(state_machine==state_trans_arry[i].cur_state)){state_machine=state_trans_arry[i].next_state;continue;}elseif(i==(STATE_TRANS_CNT-1))//notransfermatch,resetstate{state_machine=STATE1;}}if(state_machine==STATE5)printf("Passwordcorrect,statetransfermachinepass!\n");}}return0;}c.c#include<stdio.h>#include"c.h"STATE_TRANSstate_trans_arry[]={{STATE1,INPUT1,STATE2},{STATE2,INPUT2,STATE3},{STATE3,INPUT3,STATE4},{STATE4,INPUT4,STATE5},};#defineSTATE_TRANS_CNT(sizeof(state_trans_arry)/sizeof(state_trans_arry[0]))intmain(){inti;charch;STATEstate_machine=STATE1;while(ch!='e'){ch=getchar();if((ch>='0')&&(ch<='9'))//fordigitpasswordinputonly{for(i=0;i<STATE_TRANS_CNT;i++){if((ch==state_trans_arry[i].input)&&(state_machine==state_trans_arry[i].cur_state)){state_machine=state_trans_arry[i].next_state;continue;}elseif(i==(STATE_TRANS_CNT-1))//notransfermatch,resetstate{state_machine=STATE1;}}if(state_machine==STATE5)printf("Passwordcorrect,statetransfermachinepass!\n");}}return0;}狀態(tài)圖－－一個圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)！1.while+switch;2.狀態(tài)機(jī)：是指定系統(tǒng)的所有可能的狀態(tài)及狀態(tài)間跳轉(zhuǎn)的條件，然后設(shè)一個初始狀態(tài)輸入給這臺機(jī)器，機(jī)器就會自動運(yùn)轉(zhuǎn)，或最后處于終止?fàn)顟B(tài)，或在某一個狀態(tài)不斷循環(huán)。游戲中狀態(tài)切換是很頻繁的?？赡芤郧耙袚Q狀態(tài)就是if~else，或者設(shè)標(biāo)志，但這些都不太結(jié)構(gòu)化，若把它嚴(yán)格的設(shè)為一種標(biāo)準(zhǔn)的狀態(tài)機(jī)，會清楚的多。如控制一扇門的運(yùn)動，初始時門是關(guān)的，當(dāng)有力作用在門上時，門開始慢慢打開，力的作用完后，門漸漸停止不動，當(dāng)有反向的力時，門又漸漸關(guān)上，知道回到初始關(guān)的狀態(tài)。這個你會怎么來編程實現(xiàn)呢。似乎很麻煩，的確，沒有狀態(tài)機(jī)的思想時會很煩，設(shè)很多標(biāo)志，一堆if條件。用狀態(tài)機(jī)的話，不只是代碼更清晰，關(guān)鍵是更符合邏輯和自然規(guī)律，不同狀態(tài)不同處理，滿足條件則跳轉(zhuǎn)到相關(guān)狀態(tài)。偽碼如下：enum{CLOSED,//關(guān)上狀態(tài)CLOSING,//正在關(guān)狀態(tài)OPENED,//打開狀態(tài)OPENING,//正在開的狀態(tài)}doorState=CLOSED;//初始為關(guān)Update(){switch(doorState)caseCLOSED:if(有人推門)doorState=OPENING;//跳轉(zhuǎn)到正在開狀態(tài)break;caseOPENING:door.Rotation+=DeltaAngle;//門的旋轉(zhuǎn)量遞增if(門的速度為零)//力的作用已去doorState=OPENED;//跳轉(zhuǎn)到開狀態(tài)break;caseOPENED:if(有人關(guān)門)doorState=CLOSING;break;caseCLOSING:door.Rotation-=DeltaAngle;//門的旋轉(zhuǎn)量遞減if(門的旋轉(zhuǎn)角度減為零)doorState=CLOSED;//門已關(guān)上break;}//而繪制代碼幾乎不用怎么變,門就是會嚴(yán)格按照狀態(tài)機(jī)的指示去運(yùn)動，該停就會停Render(){RotateView(door.Rotation);DrawDoor(door.Position);}enum{CLOSED,//關(guān)上狀態(tài)CLOSING,//正在關(guān)狀態(tài)OPENED,//打開狀態(tài)OPENING,//正在開的狀態(tài)}doorState=CLOSED;//初始為關(guān)Update(){switch(doorState)caseCLOSED:if(有人推門)doorState=OPENING;//跳轉(zhuǎn)到正在開狀態(tài)break;caseOPENING:door.Rotation+=DeltaAngle;//門的旋轉(zhuǎn)量遞增if(門的速度為零)//力的作用已去doorState=OPENED;//跳轉(zhuǎn)到開狀態(tài)break;caseOPENED:if(有人關(guān)門)doorState=CLOSING;break;caseCLOSING:door.Rotation-=DeltaAngle;//門的旋轉(zhuǎn)量遞減if(門的旋轉(zhuǎn)角度減為零)doorState=CLOSED;//門已關(guān)上break;}//而繪制代碼幾乎不用怎么變,門就是會嚴(yán)格按照狀態(tài)機(jī)的指示去運(yùn)動，該停就會停Render(){RotateView(door.Rotation);DrawDoor(door.Position);}這是一個簡單但很典型的例子，狀態(tài)機(jī)的應(yīng)用太多了。就說一個基本游戲的運(yùn)轉(zhuǎn):（用到了一個狀態(tài)然后還有子狀態(tài)）UpdateGame()BEGIN;switch(gameState)case等待選擇菜單://它有三個子狀態(tài)。if(選擇菜單項＝＝開始){游戲初始；gameState=開始游戲}if(選擇菜單項＝＝選項)gameState