狀態機簡介及其思路在單片機程序設計中的應用

圖2 時鐘程序狀態遷移圖

把這張圖稍做歸納，就可以得到它的另一種表現形式——狀態遷移表，如表2所示。

表2 時鐘程序狀態遷移表

狀態機應用的注意事項
基于狀態機的程序調度機制，其應用的難點并不在于對狀態機概念的理解，而在于對系統工作狀態的合理劃分。

初學者往往會把某個“程序動作”當作是一種“狀態”來處理。我稱之為“偽態”。那么如何區分“動作”和“狀態”。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“狀態”是相對穩定的，如果沒有外部條件的觸發，一個狀態會一直持續下去。

初學者的另一種比較致命的錯誤，就是在狀態劃分時漏掉一些狀態。我稱之為“漏態”。

“偽態”和“漏態”這兩種錯誤的存在，將會導致程序結構的渙散。因此要特別小心避免。

更復雜的狀態機
前面介紹的是一種簡單的狀態結構。它只有一級，并且只有一維，如圖3所示。

圖3 線性狀態機結構

如果有必要，我們可以建立更復雜的狀態機模型。

1 多級狀態結構
狀態機可以是多級的。在分層的多級狀態機系統里面，一個“父狀態”下可以劃分多個“子狀態”，這些子狀態共同擁有上級父狀態的某些共性，同時又各自擁有自己的一些個性。

在某些狀態下，還可以進一步劃分子狀態。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態，合并成1個一級狀態。在這個狀態下，又可以劃分出3個二級子狀態，分別為顯示時間、設置小時、設置分鐘；

同樣，我們也可以把所有和鬧鐘功能有關的狀態，合并成1個一級狀態。在這個狀態下，再劃分出4個二級子狀態，分別為顯示鬧鐘、設置“時”、設置“分”、設置鳴叫時間。

我們需要用另一個狀態變量（寄存器）來表示這些子狀態。

子狀態下面當然還可以有更低一級的孫狀態（子子孫孫無窮盡也），從而將整個狀態體系變成了樹狀多級狀態結構，如圖4所示。

圖4 樹狀多級狀態結構

2 多維狀態結構
狀態結構也可以是多維的。從不同的角度對系統進行狀態的劃分，這些狀態的某些特性是交叉的。比如，在按照按鍵和顯示劃分狀態的同時，又按照系統的工作進程做出另一種狀態劃分。這兩種狀態劃分同時存在，相互交叉，從而構成了二維的狀態結構空間。

舉一個這方面的例子，如：空調遙控器，如圖5所示。

圖5 多維狀態機結構

同樣，我們也可以構建三維、四維甚至更多維的狀態結構。每一維的狀態都需要用一個狀態變量（寄存器）來表示。

無論多級狀態結構和多維狀態結構看上去多么迷人，匠人的忠告是：我們依然要盡可能地簡化狀態結構，能用單級、單維的結構，就不要給自己找事，去玩那噩夢般的復雜結構。

簡單的才是最有效的。

結束語
對狀態機的理解需要一個由淺入深的過程。這個過程應該是與實踐應用和具體案例思考相結合的。當一種良好的思路成為設計的習慣，它就能給設計者帶來回報。愿這篇手記里介紹的基于狀態機的編程思路能給新手們帶來一些啟迪，幫助大家找到“程序設計”的感覺。