有限状态机在单片机和 Arduino 编程中的应用

在单片机编程中，如果在不使用操作系统的情况下同时执行多个任务，可能会遇到下面这些情况：

一个任务的执行时间过长，导致其他任务无法及时执行
在一些任务中大量使用 delay() 等函数进行软件延时，这些延时函数占用过多时间，影响其他任务的执行
一些复杂任务的程序逻辑不清晰，不便于以后对程序进行维护，或添加新功能

本文介绍的有限状态机，可以做到将一个耗时较多的复杂任务分解为多个简单任务，同时使代码逻辑更加清晰，从而解决上述问题。

目录：
1. 什么是有限状态机
2. 有限状态机的作用

2.1 分解耗时过长的任务
2.2 避免软件延时对 CPU 资源造成浪费
2.3 使程序逻辑更加清晰
3. 有限状态机的实现

3.1 通过 switch - case 语句实现
3.2 通过 Arduino 库实现
3.3 其他方式
4. 示例一：按键去抖动程序的优化

4.1 传统的按键去抖动程序
4.2 优化后的按键去抖动程序
5. 示例二：通过有限状态机实现的闹钟程序
6. 后记

1. 什么是有限状态机

根据维基百科上的定义，有限状态机（finite-state machine, FSM，简称状态机）是表示有限个状态以及在这些状态之间的转移和动作等行为的数学模型。[

为了理解这句话，假设自己还有三天就要考试，这时候就要进入紧张的备考状态，将空闲时间用在复习上。但是，为了保证足够的精力，小睡一会儿也是十分有必要的。那么，什么时候复习，什么时候睡觉呢？可以这样描述：

在复习的时候：

如果感到瞌睡，则睡觉
如果没有感觉到瞌睡，则继续复习

在小睡的时候：

如果感觉不再瞌睡，则开始复习
如果感觉依旧瞌睡，则继续睡觉

也可通过一幅简单的示意图（也叫「状态转移图」）表示出来：

这个例子其实就是一个简单的有限状态机，其中，复习和小睡是两个状态，感觉瞌睡和感觉清醒这两个条件可以使状态发生转换。[

另外，Programming Basics [网站上也提供了状态机相关的教程，用形象化的图片解释了什么是有限状态机，可通过此链接访问。

在嵌入式程序设计中，如果一个系统需要处理一系列连续发生的任务，或在不同的模式下对输入进行不同的处理，常常使用有限状态机实现。例如测量、监测、控制等控制逻辑型应用。

2. 有限状态机的作用

2.1 分解耗时过长的任务

大家应该都知道，CPU 没有并行执行任务的能力。计算机「同时」运行多个程序，其实是多个程序依次交替执行，给人以程序同时运行的错觉。各个程序在什么时候开始执行，执行多长时间后切换到下一个程序，由操作系统决定。

单片机执行多任务也是类似的过程，但由于其资源有限，为了节省对 CPU 和存储空间的占用，在很多情况下没有使用操作系统。这时，单片机中运行的各个任务必须在一定时间内主动执行完毕，才能保证下一个任务能够及时执行。

对于一些需要长时间执行的任务，例如按键去除抖动、读取和播放 MP3 文件等，采用有限状态机的方式，将任务划分为多个小的步骤（状态），每次只执行其中的一步。这样，其他任务就有机会「插入」到这个任务之中，确保了各个任务都能按时执行。

2.2 避免软件延时对 CPU 资源造成浪费

对于一些简单的程序，可通过 delay(), delay_ms() 之类的函数进行软件延时。这些延时函数，一般是通过将某个变量循环递加或递加，递加或递减到一定值后跳出循环，从而通过消耗 CPU 时间实现了延时。

这种方式虽然简单，但在延时函数执行的过程中，其他程序无法运行，消耗了大量 CPU 资源。而通过状态机，有助于减少软件延时的使用，提高 CPU 利用率。

请参考下文中的示例一：按键去抖动程序的优化，这一例子展示了如何通过软件延时分解耗时较长的任务，同时减少软件延时的使用。

2.3 使程序逻辑更加清晰

通过状态机，将一个复杂任务划分为多个状态，可以使程序清晰易懂，便于维护。以后想要添加、删除程序中的功能，都会变得非常容易。

下文中的示例二：通过状态机实现的闹钟展示了如何通过状态机优化程序逻辑。

3. 有限状态机的实现

3.1 通过 switch - case 语句实现

【有限状态机在单片机和 Arduino 编程中的应用】

如果使用 C 语言，switch - case 语句，即可简单地实现有限状态机。

ARDUINO 代码复制打印
/* 定义各个状态所对应的数值 */
#define STATUS_A 0
#define STATUS_B 1
#define STATUS_C 2
/* 该变量的值即为当前状态机所处的状态 */
uint8_t currentStatus = STATUS_A;
/* 通过状态机实现的某个任务，
* 需要放入 while(1) 等地方循环执行
* /
void fsm_app(void)
{
switch(currentStatus) /* 根据现在的状态执行相应的程序 */
{
case STATUS_A:/* 状态 A */
doThingsForStatusA(); /* 执行状态 A 中需要执行的任务 */
/* 若满足状态转换的条件，则转换到另一个状态 */
if(condition_1){ currentStatus = STATUE_B; }
break;
case STATUS_B:/* 状态 B */
doThingsForStatusB(); /* 执行状态 B 中需要执行的任务 */
/* 若满足状态转换的条件，则转换到另一个状态 */
if(condition_2){ currentStatus = STATUE_C; }
if(condition_3){ currentStatus = STATUE_A; }
break;
case STATUS_C:/* 状态 C */
doThingsForStatusB(); /* 执行状态 B 中需要执行的任务 */
/* 若满足状态转换的条件，则转换到另一个状态 */
if(condition_4){ currentStatus = STATUE_A; }
break;
default:
currentStatus = STATUE_A;
}
}

通过这段程序，即可实现一个具有三个状态的状态机。状态转移图如下图所示：

3.2 通过 Arduino 库实现

对于 Arduino 用户，还可以使用 FSM Library 实现。这一库将有限状态机进行了封装，可以以更简洁的方式实现状态机。
下载地址及使用说明：http://playground.arduino.cc/Code/FiniteStateMachine

3.3 其他方式

对于一些更复杂的任务，使用 switch - case 语句，代码会不太简洁。这时候，使用其他方式实现状态机，可能会更好。具体请查阅相关资料。

4. 示例一：按键去抖动程序的优化

4.1 传统的按键去抖动程序