如何深入理解“有限状态机”的设计思想？

如何深入理解“有限状态机”的设计思想？

程序设计和数字电路设计中都经常会用到“有限状态机”的设计思想。

在嵌入式软件开发中，状态机编程是一个十分重要的编程思想，它也是嵌入式开发中一个常用的编程框架。掌握了状态机编程思想，可以更加逻辑清晰的实现复杂的业务逻辑功能。

1状态机思想

状态机，或称有限状态机FSM（Finite State Machine），是一种重要的编程思想。

状态机有3要素：状态、事件与响应

·状态：系统处在什么状态？

·事件：发生了什么事？

·响应：此状态下发生了这样的事，系统要如何处理？

状态机编程前，首先要根据需要实现的功能，整理出一个对应的状态转换图(状态机图)，然后就可以根据这个状态转换图，套用状态机编程模板，实现对应是状态机代码了。

状态机编程主要有 3种方法：switch-case法、表格驱动法、函数指针法，本篇先介绍最简单也最易理解的switch-case法。

2状态机实例

下面以按键消抖功能，来介绍switch-case法的状态机编程思路。

2.1按钮消抖状态转换图

状态机机编程前，首先要明确的对应功能的状态机需要几个状态，本例的按键功能，只检测最基础的按下与松开状态（暂不实现长按、双击等状态），并增加对应的按钮去抖功能，因此，需要用到4个状态：

·稳定松开状态

·按下抖动状态

·稳定按下状态

·松开抖动状态

对应的状态转换图如下：

由于按键通常处于松开状态，这里让状态机的初始化状态为松开状态，然后在这4个状态中来回切换。

图中的VT代表按键检测到电平，VT=0即检测到低电平，可能是按键按下，由初始的“稳定松开”状态转为“按下抖动”状态

当持续检测到低电平(VT=0)一段时间后，认为消抖完成，由“按下抖动”状态转为“稳定按下”状态

在“按下抖动”状态时，在指定的一段时间内，再次检测到高电平(VT=1)，说明确实是按钮抖动（比如按键被快速拨动了一下又弹起，或强烈震动导致的按键抖动），则由“按下抖动”状态转为“稳定松开”状态

2.2编程实现

2.2.1状态定义

对应上面的按钮状态图，可以知道需要用到4个状态：

·稳定松开状态（KS_RELEASE）

·按下抖动状态（KS_PRESS_SHAKE）

·稳定按下状态（KS_PRESS）

·松开抖动状态（KS_RELEASE_SHAKE）

这里使用枚举来定义这4个状态。为了在调试时，能够把对应状态名称以字符串的形式打印出来，这里使用宏定义的一个小技巧：

#符号+自定义的枚举名称

即可自动转变为字符串形式，再将这些字符串放到const char* key_status_name[]数组中，便可通过数组的形式访问这些状态的字符串名称形式。

此外，为了不重复书写枚举名称与对应的枚举字符串(#+枚举名称)，进一步使用宏定义的方式，只定义一次状态，然后通过下面两条宏定义，实现对枚举项和枚举项对应的字符串的分别获取：

#define ENUM_ITEM(ITEM) ITEM,#define ENUM_STRING(ITEM) #ITEM,

具体是宏定义、枚举定义与枚举名称数组声明如下：

#define ENUM_ITEM(ITEM) ITEM,#define ENUM_STRING(ITEM) #ITEM,#define KEY_STATUS_ENUM(STATUS) \ STATUS(KS_RELEASE) /*稳定松开状态*/       \ STATUS(KS_PRESS_SHAKE) /*按下抖动状态*/       \ STATUS(KS_PRESS) /*稳定按下状态*/       \ STATUS(KS_RELEASE_SHAKE) /*松开抖动状态*/       \ STATUS(KS_NUM) /*状态总数(无效状态)*/  \ typedefenum{

KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)}KEY_STATUS;constchar*key_status_name[]={

KEY_STATUS_ENUM(ENUM_STRING)};

宏定义不便理解的，可以将宏定义分别带入，转为最终的结果，理解替代后的具体形式，比如下面的宏定义带入替换示意：

/*KEY_STATUS_ENUM(STATUS) --> STATUS(KS_RELEASE) ... STATUS(KS_NUM)KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)--> ENUM_ITEM(KS_RELEASE) ... ENUM_ITEM(KS_NUM)--> KS_RELEASE, ... KS_NUM,KEY_STATUS_ENUM(ENUM_STRING)--> ENUM_STRING(KS_RELEASE) ... ENUM_STRING(KS_NUM)--> #KS_RELEASE, ... #KS_NUM,*/

2.2.2状态机实现

下面是状态机的具体实现：

·状态机函数key_status_check在一个循环中，被每隔10ms调用一次

·定义一个g_keyStatus表示状态机所处的状态

·在每个循环中，switch根据当前的状态，执行对应状态所需要执行的逻辑

·定义一个g_DebounceCnt用于消抖时间计算，当持续进入消抖状态，每次循环(10ms)中将此值加1，持续一定次数(5次，即50ms)，认为是稳定的按下或松开，消抖完成，跳转到稳定方向或稳定松开状态

·在每个状态的执行逻辑中，当检测到某些条件满足时，跳转到其它的状态

·通过状态的不断跳转，实现状态机的运行

·此外，为方便观察状态机中状态的变化，定义了一个g_lastKeyStatus表示前一状态，当状态发生变化时，可以将状态名称打印出来

KEY_STATUSg_keyStatus=KS_RELEASE;//当前按键的状态KEY_STATUSg_lastKeyStatus=KS_NUM;//上一状态intg_DebounceCnt=0;//消抖时间计数voidkey_status_check(){

switch(g_keyStatus)

{

//按键释放(初始状态)caseKS_RELEASE:

{

//检测到低电平，先进行消抖if(KEY0==0)

{

g_keyStatus=KS_PRESS_SHAKE;

g_DebounceCnt=0;

}

}

break;

//按下抖动caseKS_PRESS_SHAKE:

{

g_DebounceCnt++;

//确实是抖动if(KEY0==1)

{

g_keyStatus=KS_RELEASE;

}

//消抖完成elseif(g_DebounceCnt==5)

{

g_keyStatus=KS_PRESS;

printf("=====> key press\r\n");

}

}

break;

//稳定按下caseKS_PRESS:

{

//检测到高电平，先进行消抖if(KEY0==1)

{

g_keyStatus=KS_RELEASE_SHAKE;

g_DebounceCnt=0;

}

}

break;

//松开抖动caseKS_RELEASE_SHAKE:

{

g_DebounceCnt++;

//确实是抖动if(KEY0==0)

{

g_keyStatus=KS_PRESS;

}

//消抖完成elseif(g_DebounceCnt==5)

{

g_keyStatus=KS_RELEASE;

printf("=====> key release\r\n");

}

}

break;

default:break;

}

if(g_keyStatus!=g_lastKeyStatus)

{

g_lastKeyStatus=g_keyStatus;

printf("new key status:%d(%s)\r\n",g_keyStatus,key_status_name[g_keyStatus]);

}}intmain(void){

delay_init();//延时函数初始化KEY_Init();

uart_init(115200);

printf("hello\r\n");

while(1)

{

key_status_check();

delay_ms(10);

}}

注：本例程需要使用一个按键，需要初始化对应的GPIO，这里不再贴代码。

2.3使用测试

将完整的代码编译后烧录到板子中，连接串口，按下与松开按键，观察串口输出信息。

我的测试输出信息如下：

前两次拨动按键模拟按钮抖动的情况，可以看到串口打印出两次从松开到按下抖动的状态切换。

然后是按下按键，再松开按键，可以看到状态的变化：松开 ->按下抖动 ->按下 ->松开抖动 ->松开

3总结

本篇介绍了嵌入式软件开发中常用的状态机编程实现，并通过按键消抖实例，以常用的switch-case形式，实现了对应的状态机编程代码实现，并通过测试，串口打印对应状态，分析状态机的状态跳转过程。