[FSM]状态机实践入门——程咬金只要三斧头厉害

Gorgon_Meducer · 发表于 2011-3-2 13:41:40

本帖最后由 Gorgon_Meducer 于 2012-7-23 21:12 编辑

不用怀疑，单片机的万能语言就是状态机。还希望大家不要条件反射式的看到状态机就
以为我要讲什么VHDL的东西——状态机是一种思维模式，是计算机理论的立足之本（不
相信请参考清华大学出版社的《自动机理论与应用》）——因此状态机的实现与语言本
身关系并不是绝对的。本文要讨论的状态机，从实现方式上更类似于Java中常用的那种
思维模式，而与VHDL相去甚远。
路要一步一步走，饭要一口一口吃，为了不把后来人吓跑，状态机理论中更多复杂的部
分，我会在以后专门写文章讨论，这里我先找一个切入点，从我常用的2种状态机编写
方式为大家慢慢展开。

首先，关于几个问题，比如：什么地方用状态机？状态机究竟有几种写法？状态机效率
到底高不高？是不是把简单问题弄复杂了？这类问题统统不在本文讨论之列，简而言之
——谁用谁知道。其实，还不能简单的就这么下了结论，套八股文而不求甚解的也大有
人在————因此我要说：关于状态机的各种问题“谁思考谁实践谁坚持谁知道”。

状态机入门第一式：switch case一线到底
要点：用switch结构配合一个状态变量，通过修改状态变量的值来切换状态。
范例：

//! 定义状态名称与状态值之间的关系，增加可读性
#define FSM_START 0x00
#define FSM_STATE_A 0x01
#define FSM_STATE_B 0x02
…
#define FSM_RESET 0xFF
bool fsm_example_A( <形参列表> ) {
 static uint8_t s_chFSMState = FSM_START; //!< 定义状态变量
 …
 switch ( s_chFSMState ) {
 case FSM_START:
 //! 这里添加状态机初始化代码
 …
 s_chFSMState = FSM_STATE_A; //!< 进入下一状态
 break;
 case FSM_STATE_A:
 //! 这里添加状态机A进入下一状态的检测代码
 if (<某某条件>) {
 //! 这里做一些进入下一状态时要做的准备工作
 s_chFSMState = FSM_STATE_B; //!< 进入下一状态
 }
 break;
 case FSM_STATE_B:
 //! 这里添加状态机A进入下一状态的检测代码
 if (<某某条件>) {
 //! 这里做一些进入下一状态时要做的准备工作
 s_chFSMState = FSM_STATE_A; //!< 进入下一状态
 } else if (<某某条件>) {
 } else if (<某某条件>) {
 …
 } else {
 }
 break;
 …
 case FSM_STOP:
 case FSM_RESET:
 default:
 //! 这里添加状态机复位相关的代码
 …
 chFSMState = FSM_START; //!< 状态机复位

 //! 返回false表示状态机已经不需要继续运行了
 return false;
 }

 //! 返回true表示状态机正在运行
 return true;
}
总结：从范例可知，这种状态机就是一根筋……并不是说他走不出什么分支来，而
 是说通常他没有办法让多个状态同时处于激活状态。

状态机入门第二式：if 判断变化无穷
要点： 用if else…else if结构的组合来描述状态流程图。
什么是状态流程图？我不想多解释，因为就那么个简单的东西，说多了反而神秘兮兮的。
状态流程图你可以简单粗暴的认为，他就是流程图，等你用得多了，你就渐渐明白为啥
多了“状态”二字；如果你后来或者先前学过状态图，那么很快你就会明白状态流程图
比状态图“高级”了多少。
1、不管怎么说，你可以先为你要处理的事物画一个流程图。如果流程图都不会画，就
不用凑热闹了。
2、接下来，把流程图上每一个方框或者判断筐都“简单粗暴”地看成一个状态。
3、将每一个状态用if结构表示出来
if (<状态标志>) {
 //! 状态代码
 …
}
4、自己看着办，合并多余的状态，优化优化代码。
范例：

//! 首先将布尔量的状态标志压缩在一个字节里面以节省内存开支
typedef union {
 uint8_t Value;
 uint8_t Byte;
 struct {
 unsigned BIT0:1;
 unsigned BIT1:1;
 unsigned BIT2:1;
 unsigned BIT3:1;
 unsigned BIT4:1;
 unsigned BIT5:1;
 unsigned BIT6:1;
 unsigned BIT7:1;
 } Bits;
}byte_t;

#define FSM_ACTION_FLAG s_tbState.Bits
#define FSM_STOP_ALL_ACTIONS() do {s_tbState.Value = 0;}while(0)
#define FSM_START (0 == s_tbState.Value)
#define FSM_STATE_A FSM_ACTION_FLAG.BIT0
#define FSM_STATE_B FSM_ACTION_FLAG.BIT1
…
#define FSM_STATE_H FSM_ACTION_FLAG.BIT7

bool fsm_example_B( <形参列表> ) {
 static byte_t s_tbState = {0}; //!< 定义状态变量

 if (FSM_START) { //!< 起始状态
 //! 这里放置状态机初始化的代码
 …
 FSM_STATE_A = true; //!< 进入状态B，start装台自动结束
 }

 if (FSM_STATE_A) { //!< 一个典型的简单状态
 //! 这里放置状态A的代码或者
 …
 //! 这里放置某些条件以开启别的状态
 if (<某些条件>) {
 //! 这里做一些“进入”下一个状态之前的准备工作
 FSM_STATE_B = true; //!< 开启下一个状态
 FSM_STATE_A = false; //!< 结束当前状态
 }
 }

 if (FSM_STATE_B) { //!< 一个典型的监视状态
 …
 //! 这里检测某些条件
 if (<某些条件>) {
 //! 这里做一些“开启”某个状态的准备工作
 FSM_STATE_C = true; //!< 开启某一个状态而不结束当前状态
 FSM_STATE_D = true; //!< 你当然可以一次触发多个状态
 …
 } else if (<某些条件>) {
 //! 满足某些条件以后关闭当前状态
 FSM_STATE_B = false;
 }
 }
 …
 if (FSM_STATE_F) { //!< 一个典型的子状态机调用
 if (!fsm_example_a(<实参列表>)) { //!< 等待子状态机返回false
 //!子状态机运行完成，进入下一状态
 …
 FSM_STATE_F = false; //!< 结束当前状态
 FSM_STATE_x = true; //!< 进入下一状态x代表某个字母
 }
 }

 if (FSM_STATE_H) { //!< 一个典型的中止状态
 //!< 某些状态机的操作，比如释放某些资源
 …
 FSM_STOP_ALL_ACTIONS(); //!< 复位状态机
 return false; //!< 返回false表示状态机结束
 }

 return true; //!< 返回true表示状态机保持运行
}
总结：从范例可知，这种状态机非常灵活，通过布尔变量的开启和关闭，你可以自
由的控制某些状态的开启。同一时刻可能有多个状态是激活的。这种结构几乎可以翻译
任何流程图。具体还有很多好处，可以在使用中体会。

状态机入门第三式：状态在心中，无态也变态
要点：所有的函数都可以看作是状态机，只不过普通的函数是一个只有单一状态的
状态机。如果函数有返回值，且这个返回值能表征至少两种以上不同的状态（比如返回
是一个指针，那么NULL和非NULL就是两种状态；比如返回是一个布尔变量，那么true和
false就是两种状态；比如返回的是一个整数，并且整数的某些特征可以被分类，那么
这些不同分类就是几种不同的状态），那么这些返回值就可以被用作指示当前状态机的
运行情况。状态机可以调用子状态机。所有的状态都应该是none-block的，简单说就是
不会把系统定死在某一个状态里面很久都出不来，比如while(1)或者循环次数较大的for
结构；否则状态机的存在意义就大打折扣——直接按照流程图写代码不就好了，干吗非
要翻译成状态机？状态机中，状态的功能应该是等待某一个事件的发生（或者说条件的
满足）；某些情况下，一些一次性执行完的流程也可以独立成一个状态——它当然没有
等待任何条件的满足，你可以认为他是无条件进行状态转移的。

总体说来，状态机是一个万能的计算机语言表述方式，与具体的载体语言关系不大。心
中有状态，代码怎会无状态？状态机是裸机条件下多任务的廉价实现方案。在状态机多
任务条件下，操作系统牵涉的几乎所有概念都会有所涉及，比如任务的同步，临界区的
保护，任务间的通讯，任务的优先级，资源的动态分配等等。你可以这么理解，每一个
状态机都是一个进程，每一个状态都是一个线程，因为进程有自己的资源，而同一个进
程里面的多个线程是公用同一片资源的。你甚至可以在有抢占式操作系统的情况下用状
态机，这个时候，操作系统的每一个任务都是个内核，那么整个系统开发就可以登小于
多核系统开发了。
是不是很有意思？没意思就别看了！状态机的种种，以后再表。

Have a good time.

rainbow · 发表于 2011-3-2 13:44:33

赶紧MARK。

wwwdege · 发表于 2011-3-2 13:45:01

以为是沙发原来是板凳..
正在学习状态机

wjd40 · 发表于 2011-3-2 13:47:22

沙了个发？

leafing · 发表于 2011-3-2 13:52:07

讲的不错

xorX · 发表于 2011-3-2 13:57:12

搬个板凳来学习。

jordonwu · 发表于 2011-3-2 14:02:55

mark,学习

smry · 发表于 2011-3-2 14:03:35

哈哈，我的程序结构都是这样的，
不过，今天才知道这种结构叫状态机。
楼主真是一针见血。看来找到师傅了。
继续关注，看看我的程序哪里还可以改进。

atommann · 发表于 2011-3-2 14:04:53

very good

wear778899 · 发表于 2011-3-2 14:07:02

标记

3466756555 · 发表于 2011-3-2 14:13:50

状态机对于单个顺序流程的任务来讲非常适合

之前在项目上应用过状态机的构架，驱动型任务都写成单独的状态机

每一个状态机都有不同的触发条件

系统使用了状态机的结构之后明显的优势
   1、CPU利用率大大提高了
   2、可以多任务 “并行执行” 提高了系统响应速度

但随着状态机的增多和系统结构分层出现的问题：
   1、各个状态机之间究竟如何管理？（之前用的是上层状态机管理下层多个状态机的）
   2、各状态机之间同步如何做到更可靠
      一不小心就会出现锁死状态
   3、产品代码以后维护比较困难

后来状态机就淡淡的退出了我的考虑范围内  说实话有点心不甘  毕竟当时是自己一个人独立完成的系统

当时公司都很不理解  花那么大精力去做这件事情但我仍然坚持了下来

Gorgon Meducer 老师多次讲到状态机希望能解决我之前的一些问题

johnwjl · 发表于 2011-3-2 14:16:08

mark, 状态机。

Gorgon_Meducer · 发表于 2011-3-2 14:25:01

to 【10楼】 3466756555
状态机是一个语言模式，可以说增加了我们的语言表达能力。它太灵活了
所以，就好比我们已经能随意用文字去写文章了，但是如何写好文章却是一个
和状态机本身关系不大的事情。
你的疑问来自于对系统概念的模糊和缺失。不单纯是学习操作系统概念能
够根本解决的。必须要有一种类似哲学的东西，比如面向对象的开发习惯，比
如黑盒子的开发行为模式，比如如何解决实际问题的分析能力，如何打破已有
的惯性思维，根据实际情况创造新结构的勇气、洞察力和创造力。
简单来说，这些都是需要时间和经验积累的。如果你迷惑了，说明你需要
坚持下去，因为你已经上路了。

411412 · 发表于 2011-3-2 14:25:36

学习状态机。

Gorgon_Meducer · 发表于 2011-3-2 14:31:33

初学单片机的人就应该立即学习文中列出的那种八股文开发模式：
1、画（状态）流程图
2、翻译状态流程图为状态机
3、优化、调试

形成习惯以后，能大大加快学习嵌入式系统的速度。不会被诸如
按键扫描程序和数码管扫描程序无法很好协调工作的问题困惑，
甚至在缺乏引导的情况下，养成非常不好的习惯，对由于这些习
惯本身容易导致的栈溢出问题，存储器使用不当（指针类问题），
产生恐惧心理。

状态机是一种计算机软件开发的万能语言模式，他让我们能随心
所欲的表达自己的思想。在这种基础下，自己的想法能够得到充
分的表达，从而自己的思想也能得到实践的充分验证。于是思维
和实践能够得到充分的交互，尽早的形成良性循环。这个时候，
书本上那些理论，只要能够理解，你就有足够的语言能力去检验
于是也就能很快的体会其中的好坏。

greatwall2 · 发表于 2011-3-2 14:37:03

感谢分享！

hyl175 · 发表于 2011-3-2 14:41:47

mark一下谢谢分享

cgbabc · 发表于 2011-3-2 14:51:58

MARK

jordonwu · 发表于 2011-3-2 14:55:32

如果能把状态机和socket编程结合讲解下就太好了，期待！

xueyingdao · 发表于 2011-3-2 15:00:25

有限状态机可是一个好东东哈。
最难的地方在于状态的划分和状态迁移图的设计。
嘎嘎，很好很强大，一直都用它。

fy024 · 发表于 2011-3-2 15:01:03

mark

wenfeiexe · 发表于 2011-3-2 15:03:42

一直在期待

plc_avr · 发表于 2011-3-2 15:04:04

傻孩子的大作一定要MARK！

lin638 · 发表于 2011-3-2 15:08:52

还好，我的人机界面显示菜单也是这种结构。

NUAA_hp · 发表于 2011-3-2 15:25:03

有没有相关的书，系统一些的。

wjkly · 发表于 2011-3-2 15:33:56

学习非常感谢

erxun · 发表于 2011-3-2 15:34:59

状态在心中，无态也变态 !
顶这句

keepworking · 发表于 2011-3-2 15:36:03

请教楼主一个问题,如果在一个应用中有多个事件任务,我希望MCU能够以时间片的方式轮流处理每个事件,而不是要等一个事件响应程序结束后才执行其它的事件响应程序.有什么方法吗?谢谢!

syuanwang · 发表于 2011-3-2 15:37:27

以前发过一个状态机图的entry\do\exit的简单实现方法
http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4520667&bbs_page_no=1&search_mode=3&search_text=syuanwang&bbs_id=9999

如果想写状态机的C程序，推荐这种方法，开销很小
应该比LZ的代码风格写起来简单，维护起来也容易
不过得有先去搜搜UML或者SYSML中关于状态机图的定义

简单来说：
entry是进入状态是执行的行为，do是状态中执行的行为，exit是退出状态是执行的行为

fei_yang · 发表于 2011-3-2 15:39:14

晕用了这么久才知道叫状态鸡啊 ⊙﹏⊙b汗。。。

abc123xyz456 · 发表于 2011-3-2 15:56:12

学习。

song1km · 发表于 2011-3-2 15:56:23

出手标。。。个。。。。。。。。。。。。。。记。

bigfatfish · 发表于 2011-3-2 16:01:29

mark

jjj206 · 发表于 2011-3-2 16:43:13

上路啰~上路啰~各位吃饱了、喝足了，好上路啰~~咯咯~

ggyyll8683 · 发表于 2011-3-2 16:46:37

好！！！

unic · 发表于 2011-3-2 16:46:59

顶起

zjw5000 · 发表于 2011-3-2 16:56:30

期待下篇

thinkingback · 发表于 2011-3-2 17:01:50

mark,顶楼主~~

gc56198 · 发表于 2011-3-2 17:04:28

mark，相当好

lovefei · 发表于 2011-3-2 17:09:10

惭愧,用了半天竟然不知是状态机,知识匮乏阿!

wajlh · 发表于 2011-3-2 17:14:07

mark有时间学

zy473551 · 发表于 2011-3-2 17:35:04

mark

同样使用状态机写程序。

这东西，就是个思想。没有固定的代码格式！！！

我个人任务，这种方法最能体现对代码的绝对驾驭性：）

Gorgon_Meducer · 发表于 2011-3-2 17:40:19

to 【29楼】 syuanwang 昙花公公
to 【42楼】 zy473551 饺子
对的。状态机是一种编程思维模式，与具体的语言和实现方式无关。
但是，一个明确提出的格式，配上相应的使用说明，还是很有参考价值的。
举例来说，我以前很多放出来的代码都是状态机的，但是很多人看了以后
仍然不知道状态机应该怎么写；如果我今天不在这里把自己的习惯风格作
一个提炼和总结后汇报给大家，很多人就仍然无法立即体会其中很多东西
来——至少要花费一定的时间，通过一定的代码积累才能总结出来。

zwc58 · 发表于 2011-3-2 17:41:35

mark

miminzhang · 发表于 2011-3-2 17:42:46

明白！

Gorgon_Meducer · 发表于 2011-3-2 17:44:21

to 【28楼】 keepworking
对于你说的这种情况，如果你的应用环境，或者你不想用抢占式的调度器（操作系统）
那么你就要仔细审视目标任务的执行时间，重复执行的时间间隔；有多少个这样的任务，
之类的问题。然后将具体任务细化成状态机，并将这些任务以规定的时间间隔触发即可。
说起来似乎就是这样，但是实际应用还有很多细节需要注意。没有更进一步的应用环境信息
我没有能力在这里三言两语给你说明白——如果说明白了，基本上又可以发一篇文章了……
不过你可以先参考一下我一个帖子里面关于状态机平面的描述。对你应该有启发。

Mec.Rover · 发表于 2011-3-2 18:25:58

思想不错

ybdesire · 发表于 2011-3-2 18:32:49

傻孩子的授课计划定了吗？打算几节课花多少时候什么时候把FSM讲完？

yusufu · 发表于 2011-3-2 18:32:49

mark~

eworker · 发表于 2011-3-2 18:40:33

不错

823032003 · 发表于 2011-3-2 18:41:02

LZ 状态机打算出书吗？期待...

ITOP · 发表于 2011-3-2 18:45:37

出书必买！赶紧学习！

lihuyong · 发表于 2011-3-2 19:00:48

正在用visual state写菜单的飘过

lhj200304 · 发表于 2011-3-2 19:12:18

mark 状态机

HYFAVR · 发表于 2011-3-2 19:17:38

搬个马扎来听听

lusson · 发表于 2011-3-2 19:18:13

MARK下。。。

zhwm3064 · 发表于 2011-3-2 19:24:18

本人才学疏浅，最近着力看外国人写的关于时间调度的书，就是看不太懂
傻孩子如果出书，一定买一本

caiyue3577 · 发表于 2011-3-2 19:31:19

学习了，好贴！

www1519 · 发表于 2011-3-2 19:48:34

mark

AG17 · 发表于 2011-3-2 19:57:09

学习

lsy5110 · 发表于 2011-3-2 20:02:59

mark

wuha · 发表于 2011-3-2 20:10:50

看到傻孩子，就得赶紧搬凳子

wanas · 发表于 2011-3-2 20:18:11

mark

gshuang1 · 发表于 2011-3-2 20:22:24

上学的时候一直以为是状态机一种很高级算法，后来无聊在网上浏览了下究竟是啥子东西，才发觉原来自己编出来的程序实质也是状态机的一种，从此不再觉得没什么稀奇了，只是这名字取得有点好。其实这所谓的“状态机”每个人都能自己摸索出来的，编个比较多任务的单片机程序，在不断的追求完美的过程中就会走“状态机”这种方式。楼主似乎比较喜欢把程序模块化，很重视基础性的东西，精益求精，不错。看得出楼主应该是个学校老师吧，呵呵

wangyj173 · 发表于 2011-3-2 20:32:20

终于等到傻孩子关于状态机的入门文章了

hujian228 · 发表于 2011-3-2 20:38:01

工业采集+控制+协议传输就很需要这样的状态机来协调，谢谢楼主

agency · 发表于 2011-3-2 20:44:21

学习

avrwoo · 发表于 2011-3-2 20:46:06

MARK

raulbatigoal · 发表于 2011-3-2 20:49:05

MARK

dxf5200 · 发表于 2011-3-2 21:27:38

mark

DIDADI · 发表于 2011-3-2 21:50:32

来学习的。

ahuang227 · 发表于 2011-3-2 21:52:02

MARK;

yywin · 发表于 2011-3-2 21:55:25

MARK

oufuqiang · 发表于 2011-3-2 22:18:36

我一开始学单片机（汇编）就在想怎么能让单片机不要傻等，呵呵，看来我一直有这思想。

stely · 发表于 2011-3-2 22:26:43

mark 状态机

wsdzj · 发表于 2011-3-2 22:27:32

学习学习

yulongkui · 发表于 2011-3-2 22:40:56

先看一点

dopuda · 发表于 2011-3-2 22:43:55

今天刚用状态机写了个键盘接口。

ieee911 · 发表于 2011-3-2 22:50:27

mark

tangwei039 · 发表于 2011-3-2 22:54:39

学习学习

liangyurongde · 发表于 2011-3-2 23:00:02

mark

jielove2003 · 发表于 2011-3-2 23:16:15

MARK

xml2028 · 发表于 2011-3-2 23:21:47

好文，以后借鉴

huwenhui · 发表于 2011-3-2 23:29:38

无态也变态！犀利~~~

luweixuan · 发表于 2011-3-3 07:49:24

郑重mark

banyai · 发表于 2011-3-3 08:38:12

个人感觉模仿QT中的信号-槽机制来编写更加简洁一点，一个信号可以触发多个槽，多个信号也可以对应一个槽。通过一个函数将信号与槽连接起来。

gpfrank · 发表于 2011-3-3 08:41:14

mark

bluefeel · 发表于 2011-3-3 08:43:48

晚了

hoho34 · 发表于 2011-3-3 08:46:21

前段时间刚捣鼓过Verilog 的状态机，51没用过。回头试试。
thx

sz_ehome · 发表于 2011-3-3 08:47:46

mark

almasy · 发表于 2011-3-3 09:02:43

mark

yuzr · 发表于 2011-3-3 10:25:49

mark

zy473551 · 发表于 2011-3-3 10:27:51

其实：学习状态机最好的入门应该是写 LCD的菜单程序。

一环扣一环，逐级递进，逐级退出，而且每级里面显示的内容不同，对应的按键效果不同

等等。

zkcheng606 · 发表于 2011-3-3 10:58:48

mark 学习了

bone · 发表于 2011-3-3 11:01:34

mark

kazenoai · 发表于 2011-3-3 11:39:31

回复【楼主位】Gorgon Meducer 傻孩子
-----------------------------------------------------------------------
很好的資料啊

Errrrrrrrr · 发表于 2011-3-3 11:48:36

mark!!!!!!!!为啥早点没看到这篇文章~~

MA_J · 发表于 2011-3-3 12:13:56

MARK

zy473551 · 发表于 2011-3-3 12:40:20

大家好好回忆一下。

当年学数电的时候。

是不是当时就有过这种概念……

imjacob · 发表于 2011-3-3 12:53:31

mark

[FSM]状态机实践入门——程咬金只要三斧头厉害

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