有限狀態(tài)機(jī)在單片機(jī)和 Arduino 編程中的應(yīng)用
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在單片機(jī)編程中，如果在不使用操作系統(tǒng)的情況下同時(shí)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)，可能會遇到下面這些情況：
一個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間過長，導(dǎo)致其他任務(wù)無法及時(shí)執(zhí)行
在一些任務(wù)中大量使用 delay() 等函數(shù)進(jìn)行軟件延時(shí)，這些延時(shí)函數(shù)占用過多時(shí)間，影響其他任務(wù)的執(zhí)行
一些復(fù)雜任務(wù)的程序邏輯不清晰，不便于以后對程序進(jìn)行維護(hù)，或添加新功能
本文介紹的有限狀態(tài)機(jī)，可以做到將一個(gè)耗時(shí)較多的復(fù)雜任務(wù)分解為多個(gè)簡單任務(wù)，同時(shí)使代碼邏輯更加清晰，從而解決上述問題。
目錄：
1. 什么是有限狀態(tài)機(jī)
2. 有限狀態(tài)機(jī)的作用
2.1 分解耗時(shí)過長的任務(wù)
2.2 避免軟件延時(shí)對 CPU 資源造成浪費(fèi)
2.3 使程序邏輯更加清晰
3. 有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)
3.1 通過 switch - case 語句實(shí)現(xiàn)
3.2 通過 Arduino 庫實(shí)現(xiàn)
3.3 其他方式
4. 示例一：按鍵去抖動程序的優(yōu)化
4.1 傳統(tǒng)的按鍵去抖動程序
4.2 優(yōu)化后的按鍵去抖動程序
5. 示例二：通過有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的鬧鐘程序
6. 后記
1. 什么是有限狀態(tài)機(jī)
根據(jù)維基百科上的定義，有限狀態(tài)機(jī)（finite-state machine, FSM，簡稱狀態(tài)機(jī)）是表示有限個(gè)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動作等行為的數(shù)學(xué)模型。[
為了理解這句話，假設(shè)自己還有三天就要考試，這時(shí)候就要進(jìn)入緊張的備考狀態(tài)，將空閑時(shí)間用在復(fù)習(xí)上。但是，為了保證足夠的精力，小睡一會兒也是十分有必要的。那么，什么時(shí)候復(fù)習(xí)，什么時(shí)候睡覺呢？可以這樣描述：
在復(fù)習(xí)的時(shí)候：
如果感到瞌睡，則睡覺
如果沒有感覺到瞌睡，則繼續(xù)復(fù)習(xí)
在小睡的時(shí)候：
如果感覺不再瞌睡，則開始復(fù)習(xí)
如果感覺依舊瞌睡，則繼續(xù)睡覺
也可通過一幅簡單的示意圖（也叫「狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖」）表示出來：
這個(gè)例子其實(shí)就是一個(gè)簡單的有限狀態(tài)機(jī)，其中，復(fù)習(xí)和小睡是兩個(gè)狀態(tài)，感覺瞌睡和感覺清醒這兩個(gè)條件可以使?fàn)顟B(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)換。[
另外，Programming Basics [網(wǎng)站上也提供了狀態(tài)機(jī)相關(guān)的教程，用形象化的圖片解釋了什么是有限狀態(tài)機(jī)，可通過此鏈接訪問。
在嵌入式程序設(shè)計(jì)中，如果一個(gè)系統(tǒng)需要處理一系列連續(xù)發(fā)生的任務(wù)，或在不同的模式下對輸入進(jìn)行不同的處理，常常使用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)。例如測量、監(jiān)測、控制等控制邏輯型應(yīng)用。
2. 有限狀態(tài)機(jī)的作用
2.1 分解耗時(shí)過長的任務(wù)
大家應(yīng)該都知道，CPU 沒有并行執(zhí)行任務(wù)的能力。計(jì)算機(jī)「同時(shí)」運(yùn)行多個(gè)程序，其實(shí)是多個(gè)程序依次交替執(zhí)行，給人以程序同時(shí)運(yùn)行的錯(cuò)覺。各個(gè)程序在什么時(shí)候開始執(zhí)行，執(zhí)行多長時(shí)間后切換到下一個(gè)程序，由操作系統(tǒng)決定。
單片機(jī)執(zhí)行多任務(wù)也是類似的過程，但由于其資源有限，為了節(jié)省對 CPU 和存儲空間的占用，在很多情況下沒有使用操作系統(tǒng)。這時(shí)，單片機(jī)中運(yùn)行的各個(gè)任務(wù)必須在一定時(shí)間內(nèi)主動執(zhí)行完畢，才能保證下一個(gè)任務(wù)能夠及時(shí)執(zhí)行。
對于一些需要長時(shí)間執(zhí)行的任務(wù)，例如按鍵去除抖動、讀取和播放 MP3 文件等，采用有限狀態(tài)機(jī)的方式，將任務(wù)劃分為多個(gè)小的步驟（狀態(tài)），每次只執(zhí)行其中的一步。這樣，其他任務(wù)就有機(jī)會「插入」到這個(gè)任務(wù)之中，確保了各個(gè)任務(wù)都能按時(shí)執(zhí)行。
2.2 避免軟件延時(shí)對 CPU 資源造成浪費(fèi)
對于一些簡單的程序，可通過 delay(), delay_ms() 之類的函數(shù)進(jìn)行軟件延時(shí)。這些延時(shí)函數(shù)，一般是通過將某個(gè)變量循環(huán)遞加或遞加，遞加或遞減到一定值后跳出循環(huán)，從而通過消耗 CPU 時(shí)間實(shí)現(xiàn)了延時(shí)。
這種方式雖然簡單，但在延時(shí)函數(shù)執(zhí)行的過程中，其他程序無法運(yùn)行，消耗了大量 CPU 資源。而通過狀態(tài)機(jī)，有助于減少軟件延時(shí)的使用，提高 CPU 利用率。
請參考下文中的示例一：按鍵去抖動程序的優(yōu)化，這一例子展示了如何通過軟件延時(shí)分解耗時(shí)較長的任務(wù)，同時(shí)減少軟件延時(shí)的使用。
2.3 使程序邏輯更加清晰
通過狀態(tài)機(jī)，將一個(gè)復(fù)雜任務(wù)劃分為多個(gè)狀態(tài)，可以使程序清晰易懂，便于維護(hù)。以后想要添加、刪除程序中的功能，都會變得非常容易。
下文中的示例二：通過狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的鬧鐘展示了如何通過狀態(tài)機(jī)優(yōu)化程序邏輯。
3. 有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)
3.1 通過 switch - case 語句實(shí)現(xiàn)
如果使用 C 語言，switch - case 語句，即可簡單地實(shí)現(xiàn)有限狀態(tài)機(jī)。
ARDUINO 代碼復(fù)制打印
/* 定義各個(gè)狀態(tài)所對應(yīng)的數(shù)值 */
#define STATUS_A 0
#define STATUS_B 1
#define STATUS_C 2
/* 該變量的值即為當(dāng)前狀態(tài)機(jī)所處的狀態(tài) */
uint8_t currentStatus = STATUS_A;
/* 通過狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)的某個(gè)任務(wù)，
* 需要放入 while(1) 等地方循環(huán)執(zhí)行
* /
void fsm_app(void)
{
switch(currentStatus) /* 根據(jù)現(xiàn)在的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的程序 */
{
case STATUS_A:/* 狀態(tài) A */
doThingsForStatusA(); /* 執(zhí)行狀態(tài) A 中需要執(zhí)行的任務(wù) */
/* 若滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，則轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài) */
if(condition_1){ currentStatus = STATUE_B; }
break;
case STATUS_B:/* 狀態(tài) B */
doThingsForStatusB(); /* 執(zhí)行狀態(tài) B 中需要執(zhí)行的任務(wù) */
/* 若滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，則轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài) */
if(condition_2){ currentStatus = STATUE_C; }
if(condition_3){ currentStatus = STATUE_A; }
break;
case STATUS_C:/* 狀態(tài) C */
doThingsForStatusB(); /* 執(zhí)行狀態(tài) B 中需要執(zhí)行的任務(wù) */
/* 若滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件，則轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài) */
if(condition_4){ currentStatus = STATUE_A; }
break;
default:
currentStatus = STATUE_A;
}
}
通過這段程序，即可實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有三個(gè)狀態(tài)的狀態(tài)機(jī)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如下圖所示：
3.2 通過 Arduino 庫實(shí)現(xiàn)
對于 Arduino 用戶，還可以使用 FSM Library 實(shí)現(xiàn)。這一庫將有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了封裝，可以以更簡潔的方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)。
下載地址及使用說明：http://playground.arduino.cc/Code/FiniteStateMachine
3.3 其他方式
對于一些更復(fù)雜的任務(wù)，使用 switch - case 語句，代碼會不太簡潔。這時(shí)候，使用其他方式實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)，可能會更好。具體請查閱相關(guān)資料。
4. 示例一：按鍵去抖動程序的優(yōu)化
4.1 傳統(tǒng)的按鍵去抖動程序
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