状态机简介及其思路在单片机程序设计中的应用

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。