玩單片機還可以，各個外設也都會驅動，但是如果讓你完整的寫一套代碼時，卻無邏輯與框架可言。這說明編程還處于比較低的水平，你需要學會一種好的編程框架或者一種編程思想！比如模塊化編程、狀態機編程、分層思想等。

本文來說一下狀態機編程。

什么是狀態機？

狀態機（state machine）有5個要素：

狀態（state）

遷移（transition）

事件（event）

動作（action）

條件（guard） 狀態：一個系統在某一時刻所存在的穩定的工作情況，系統在整個工作周期中可能有多個狀態。例如一部電動機共有正轉、反轉、停轉這 3 種狀態。

一個狀態機需要在狀態集合中選取一個狀態作為初始狀態。

遷移：系統從一個狀態轉移到另一個狀態的過程稱作遷移，遷移不是自動發生的，需要外界對系統施加影響。停轉的電動機自己不會轉起來，讓它轉起來必須上電。

事件：某一時刻發生的對系統有意義的事情，狀態機之所以發生狀態遷移，就是因為出現了事件。對電動機來講，加正電壓、加負電壓、斷電就是事件。

動作：在狀態機的遷移過程中，狀態機會做出一些其它的行為，這些行為就是動作，動作是狀態機對事件的響應。給停轉的電動機加正電壓，電動機由停轉狀態遷移到正轉狀態，同時會啟動電機，這個啟動過程可以看做是動作，也就是對上電事件的響應。

條件：狀態機對事件并不是有求必應的，有了事件，狀態機還要滿足一定的條件才能發生狀態遷移。還是以停轉狀態的電動機為例，雖然合閘上電了，但是如果供電線路有問題的話，電動機還是不能轉起來。

舉個例子

要解決的問題

電路如下圖：

器件包括單片機MCU、一按鍵K0、LED燈L1和L2。

實現功能描述：

L1L2狀態轉換順序OFF/OFF---》ON/OFF---》ON/ON---》OFF/ON---》OFF/OFF

通過按鍵控制L1L2的狀態，每次狀態轉換需連續按鍵5次

L1L2的初始狀態OFF/OFF

狀態轉換圖

在狀態機編程中，正確的順序應該是先有狀態轉換圖，后有程序，程序應該是根據設計好的狀態圖寫出來的。

下面這張按鍵控制流水燈狀態轉換圖，是用UML（統一建模語言）的語法元素畫出來的，語法不是很標準，但拿來解釋問題足夠了。

上圖中，圓角矩形代表狀態機的各個狀態，里面標注著狀態的名稱。

帶箭頭的直線或弧線代表狀態遷移，起于初態，止于次態。

圖中的文字內容是對遷移的說明，格式是：事件［條件］/動作列表（后兩項可選）。

“事件［條件］/動作列表”要說明的意思是：如果在某個狀態下發生了“事件”，并且狀態機

滿足“［條件］”，那么就要執行此次狀態轉移，同時要產生一系列“動作”，以響應事件。在這個例子里，我用“KEY”表示擊鍵事件。

圖中有一個黑色實心圓點，表示狀態機在工作之前所處的一種不可知的狀態，在運行之前狀態機必須強制地由這個狀態遷移到初始狀態，這個遷移可以有動作列表（如圖1所示），但不需要事件觸發。

圖中還有一個包含黑色實心圓點的圓圈，表示狀態機生命周期的結束，這個例子中的狀態機生生不息，所以沒有狀態指向該圓圈。

程序代碼

下面是根據上述狀態轉換圖寫成的代碼：

void main（void）{ sys_init（）; led_off（LED1）; led_off（LED2）; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFOFF; g_stFSM.u8KeyCnt = 0; while（1） { if（test_key（）==TRUE） { fsm_active（）; } else { ; /*idle code*/ } }}void fsm_active（void）{ if（g_stFSM.u8KeyCnt 》 3） /*擊鍵是否滿 5 次*/ { switch（g_stFSM.u8LedStat） { case LS_OFFOFF： led_on（LED1）; /*輸出動作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_ONOFF; /*狀態遷移*/ break; case LS_ONOFF： led_on（LED2）; /*輸出動作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_ONON; /*狀態遷移*/ break; case LS_ONON： led_off（LED1）; /*輸出動作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFON; /*狀態遷移*/ break; case LS_OFFON： led_off（LED2）; /*輸出動作*/ g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFOFF; /*狀態遷移*/ break; default： /*非法狀態*/ led_off（LED1）; led_off（LED2）; g_stFSM.u8KeyCnt = 0; g_stFSM.u8LedStat = LS_OFFOFF; /*恢復初始狀態*/ break; } } else { g_stFSM.u8KeyCnt++; /*狀態不遷移，僅記錄擊鍵次數*/ }}

先看一下fsm_active（）這個函數，g_stFSM.u8KeyCnt = 0;這個語句在switch—case里共出現了 5 次，前 4 次是作為各個狀態遷移的動作出現的。從代碼簡化提高效率的角度來看，我們完全可以把這 5 次合并為 1 次放在 switch—case 語句之前，兩者的效果是完全一樣的，代碼里之所以這樣啰嗦，是為了清晰地表明每次狀態遷移中所有的動作細節，這種方式和上面狀態轉換圖所要表達的意圖是完全一致的。

再看一下g_stFSM這個狀態機結構體變量，它有兩個成員：u8LedStat和 u8KeyCnt。用這個結構體來做狀態機好像有點兒啰嗦，我們能不能只用一個像 u8LedStat 這樣的整型變量來做狀態機呢？

當然可以！我們把上圖中的這 4 個狀態各自拆分成 5 個小狀態，這樣用 20 個狀態同樣能實現這個狀態機，而且只需要一個 unsigned char 型的變量就足夠了，每次擊鍵都會引發狀態遷移， 每遷移 5 次就能改變一次 LED 燈的狀態，從外面看兩種方法的效果完全一樣。

假設我把功能要求改一下，把連續擊鍵5次改變L1L2的狀態改為連續擊鍵100次才能改變L1L2的狀態。這樣的話第二種方法需要4X100=400個狀態！而且函數fsm_active（）中的switch—case語句里要有400個case，這樣的程序還有法兒寫么？！

同樣的功能改動，如果用g_stFSM這個結構體來實現狀態機的話，函數fsm_active（）只需要將if（g_stFSM.u8KeyCnt》3）改為if（g_stFSM.u8KeyCnt 》 98）就可以了！

g_stFSM結構體的兩個成員中，u8LedStat可以看作是質變因子，相當于主變量；u8KeyCnt可以看作是量變因子，相當于輔助變量。量變因子的逐步積累會引發質變因子的變化。

像g_stFSM這樣的狀態機被稱作Extended State Machine。

編輯：jq