我感覺普羅米修斯很多功能子產品裡面都用到了狀态機的思路
比如圓環穿越的,比如最新的二維碼降落的代碼。
摘自:https://mp.weixin.qq.com/s/qRmBDH-VIHM26AaNFoD9dw
狀态機思路在嵌入式開發中的應用說明及注意事項
strongerHuang strongerHuang 今天
關注+星标公衆号,不錯過精彩内容
來源 | 玩轉嵌入式
編排 | strongerHuang
學單片機開發的同學,基本都是從裸機開始的,裸機中一般都會使用到狀态機。
可能很多人認為裸機中狀态機比較low,怎麼也要搞一個RTOS,更甚着要跑Linux才覺得高大上。其實,這都是誤區,适合自己的才是最好的,做産品也一樣,滿足需求很重要。
目前裸機狀态機依然很流行,我并不會覺得裸機很low,而且之前都還用狀态機開發過好幾款産品。
下面就來講講狀态機的内容:
嵌入式專欄
1
狀态機的概念
狀态機是軟體程式設計中的一個重要概念,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式中,必然有狀态機的身影浮現。
比如:一個按鍵指令解析程式,就可以被看做狀态機:本來在A狀态下,觸發一個按鍵後切換到了B狀态;再觸發另一個鍵後切換到C狀态,或者傳回到A狀态。這就是最簡單的按鍵狀态機例子。實際的按鍵解析程式會比這更複雜些,但這不影響我們對狀态機的認識。
進一步看,按鍵動作本身也可以看做一個狀态機,一個細小的按鍵動作包含了:釋放、抖動、閉合、抖動和重新釋放等狀态。
同樣,一個串行通信的時序(不管它是遵循何種協定,标準序列槽也好、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态構成。
顯示掃描程式也是狀态機;通信指令解析程式也是狀态機;甚至連繼電器的吸合/釋放控制、發光管(LED)的亮/滅控制又何嘗不是個狀态機。
當我們打開思路,把狀态機作為一種思想導入到程式中去時,就會找到解決問題的一條有效的捷徑。有時候用狀态機的思維去思考程式該幹什麼,比用控制流程的思維去思考,可能會更有效。這樣一來狀态機便有了更實際的功用。
程式其實就是狀态機:
也許你還不了解上面這句話。請想想看,計算機的大廈不就是建立在“0”和“1”兩個基本狀态的地基之上麼?
嵌入式專欄
2
狀态機的要素
狀态機可歸納為4個要素,即
現态
、
條件
、
動作
、
次态
。這樣的歸納,主要是出于對狀态機的内在因果關系的考慮。
“現态”
和
“條件”
是因,
“動作”
和
“次态”
是果。詳解如下:
現态
是指目前所處的狀态。
條件
又稱為“事件”。當一個條件被滿足,将會觸發一個動作,或者執行一次狀态的遷移。
動作
條件滿足後執行的動作。動作執行完畢後,可以遷移到新的狀态,也可以仍舊保持原狀态。動作不是必需的,當條件滿足後,也可以不執行任何動作,直接遷移到新狀态。
次态
條件滿足後要遷往的新狀态。“次态”是相對于“現态”而言的,“次态”一旦被激活,就轉變成新的“現态”了。
如果我們進一步歸納,把
“現态”
和
“次态”
統一起來,而把
“動作”
忽略(降格處理),則隻剩下兩個最關鍵的要素,即:
狀态
、
遷移條件
。
狀态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态機。
純粹用文字描述是很低效的,是以就不介紹了,接下來先介紹圖形的方式。
嵌入式專欄
3
狀态遷移圖(STD)
狀态遷移圖(STD),是一種描述系統的狀态、以及互相轉化關系的圖形方式。狀态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狀态遷移圖
狀态框
用方框表示狀态,包括所謂的“現态”和“次态”。
條件及遷移箭頭
用箭頭表示狀态遷移的方向,并在該箭頭上标注觸發條件。
節點圓圈
當多個箭頭指向一個狀态時,可以用節點符号(小圓圈)連接配接彙總。
動作框
用橢圓框表示。
附加條件判斷框
用六角菱形框表示。
狀态遷移圖和我們常見的流程圖相比有着本質的差別,具體展現為:在流程圖中,箭頭代表了程式PC指針的跳轉;而在狀态遷移圖中,箭頭代表的是狀态的改變。
我們會發現,這種狀态遷移圖比普通程式流程圖更簡練、直覺、易懂。這正是我們需要達到的目的。
嵌入式專欄
4
狀态遷移表
除了狀态遷移圖,我們還可以用表格的形式來表示狀态之間的關系。這種表一般稱為狀态遷移表。
表1就是前面介紹的那張狀态遷移圖的另一種描述形式。
表1狀态遷移表
采用表格方式來描述狀态機,優點是可容納更多的文字資訊。例如,我們不但可以在狀态遷移表中描述狀态的遷移關系,還可以把每個狀态的特征描述也包含在内。
如果表格内容較多,過于臃腫不利于閱讀,我們也可以将狀态遷移表進行拆分。經過拆分後的表格根據其具體内容,表格名稱也有所變化。
比如,我們可以把狀态特征和遷移關系分開清單。被單獨拆分出來的描述狀态特征的表格,也可以稱為“狀态真值表”。這其中比較常見的就是把每個狀态的顯示内容單獨清單。這種描述每個狀态顯示内容的表稱之為“顯示真值表”。同樣,我們把單獨表述基于按鍵的狀态遷移表稱為“按鍵功能真值表”。另外,如果每一個狀态包含的資訊量過多,我們也可以把每個狀态單獨清單。
由此可見,狀态遷移表作為狀态遷移圖的有益補充,它的表現形式是靈活的。
狀态遷移表優點是資訊涵蓋面大,缺點是視覺上不夠直覺,是以它并不能取代狀态遷移圖。比較理想的是将圖形和表格結合應用。用圖形展現宏觀,用表格說明細節。二者互為參照,相得益彰。
嵌入式專欄
5
狀态機思路實作一個時鐘程式
接下來,我将就狀态機的應用,結合流程圖、狀态遷移圖和狀态遷移,舉一個實際例子。下面這張圖是一個時鐘程式的狀态遷移圖,如圖2所示。
圖2時鐘程式狀态遷移圖
把這張圖稍做歸納,就可以得到它的另一種表現形式——狀态遷移表,如表2所示。
表2時鐘程式狀态遷移表
嵌入式專欄
6
狀态機應用的注意事項
基于狀态機的程式排程機制,其應用的難點并不在于對狀态機概念的了解,而在于對系統工作狀态的合理劃分。
初學者往往會把某個“程式動作”當作是一種“狀态”來處理。我稱之為“僞态”。那麼如何區分“動作”和“狀态”。本匠人的心得是看二者的本質:
“動作”是不穩定的,即使沒有條件的觸發,“動作”一旦執行完畢就結束了;
而“狀态”是相對穩定的,如果沒有外部條件的觸發,一個狀态會一直持續下去。
初學者的另一種比較緻命的錯誤,就是在狀态劃分時漏掉一些狀态。我稱之為“漏态”。
僞态和漏态這兩種錯誤的存在,将會導緻程式結構的渙散。是以要特别小心避免。
嵌入式專欄
7
更複雜的狀态機
前面介紹的是一種簡單的狀态結構。它隻有一級,并且隻有一維,如圖3所示。
圖3 線性狀态機結構
如果有必要,我們可以建立更複雜的狀态機模型。
1.多級狀态結構
狀态機可以是多級的。在分層的多級狀态機系統裡面,一個“父狀态”下可以劃分多個“子狀态”,這些子狀态共同擁有上級父狀态的某些共性,同時又各自擁有自己的一些個性。
在某些狀态下,還可以進一步劃分子狀态。比如,我們可以把前面的時鐘例子修改如下:
把所有和時鐘功能有關的狀态,合并成1個一級狀态。在這個狀态下,又可以劃分出3個二級子狀态,分别為顯示時間、設定小時、設定分鐘;
同樣,我們也可以把所有和鬧鐘功能有關的狀态,合并成1個一級狀态。在這個狀态下,再劃分出4個二級子狀态,分别為顯示鬧鐘、設定“時”、設定“分”、設定鳴叫時間。
我們需要用另一個狀态變量(寄存器)來表示這些子狀态。
子狀态下面當然還可以有更低一級的孫狀态(子子孫孫無窮盡也),進而将整個狀态體系變成了樹狀多級狀态結構,如圖4所示。
圖4樹狀多級狀态結構
2.多元狀态結構
狀态結構也可以是多元的。從不同的角度對系統進行狀态的劃分,這些狀态的某些特性是交叉的。比如,在按照按鍵和顯示劃分狀态的同時,又按照系統的工作程序做出另一種狀态劃分。這兩種狀态劃分同時存在,互相交叉,進而構成了二維的狀态結構空間。
舉一個這方面的例子,如:空調遙控器,如圖5所示。
圖5多元狀态機結構
同樣,我們也可以建構三維、四維甚至更多元的狀态結構。每一維的狀态都需要用一個狀态變量(寄存器)來表示。
無論多級狀态結構和多元狀态結構看上去多麼迷人,匠人的忠告是:我們依然要盡可能地簡化狀态結構,能用單級、單維的結構,就不要給自己找事,去玩那噩夢般的複雜結構。