在嵌入式軟件開發(fā)中，狀態(tài)機(jī)編程是一個(gè)十分重要的編程思想，它也是嵌入式開發(fā)中一個(gè)常用的編程框架。掌握了狀態(tài)機(jī)編程思想，可以更加邏輯清晰的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯功能。

1 狀態(tài)機(jī)思想

狀態(tài)機(jī)，或稱有限狀態(tài)機(jī)FSM（Finite?State Machine），是一種重要的編程思想。

狀態(tài)機(jī)有3要素：狀態(tài)、事件與響應(yīng)

狀態(tài)：系統(tǒng)處在什么狀態(tài)？

事件：發(fā)生了什么事？

響應(yīng)：此狀態(tài)下發(fā)生了這樣的事，系統(tǒng)要如何處理？

狀態(tài)機(jī)編程前，首先要根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能，整理出一個(gè)對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(狀態(tài)機(jī)圖)，然后就可以根據(jù)這個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，套用狀態(tài)機(jī)編程模板，實(shí)現(xiàn)對應(yīng)是狀態(tài)機(jī)代碼了。

狀態(tài)機(jī)編程主要有 3 種方法：switch-case 法、表格驅(qū)動(dòng)法、函數(shù)指針法，本篇先介紹最簡單也最易理解的switch-case 法。

2 狀態(tài)機(jī)實(shí)例

下面以按鍵消抖功能，來介紹switch-case 法的狀態(tài)機(jī)編程思路。

2.1 按鈕消抖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

狀態(tài)機(jī)機(jī)編程前，首先要明確的對應(yīng)功能的狀態(tài)機(jī)需要幾個(gè)狀態(tài)，本例的按鍵功能，只檢測最基礎(chǔ)的按下與松開狀態(tài)（暫不實(shí)現(xiàn)長按、雙擊等狀態(tài)），并增加對應(yīng)的按鈕去抖功能，因此，需要用到4個(gè)狀態(tài)：

穩(wěn)定松開狀態(tài)

按下抖動(dòng)狀態(tài)

穩(wěn)定按下狀態(tài)

松開抖動(dòng)狀態(tài)

對應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下：

由于按鍵通常處于松開狀態(tài)，這里讓狀態(tài)機(jī)的初始化狀態(tài)為松開狀態(tài)，然后在這4個(gè)狀態(tài)中來回切換。

圖中的VT代表按鍵檢測到電平，VT=0即檢測到低電平，可能是按鍵按下，由初始的“穩(wěn)定松開”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“按下抖動(dòng)”狀態(tài)

當(dāng)持續(xù)檢測到低電平(VT=0)一段時(shí)間后，認(rèn)為消抖完成，由“按下抖動(dòng)”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“穩(wěn)定按下”狀態(tài)

在“按下抖動(dòng)”狀態(tài)時(shí)，在指定的一段時(shí)間內(nèi)，再次檢測到高電平(VT=1)，說明確實(shí)是按鈕抖動(dòng)（比如按鍵被快速撥動(dòng)了一下又彈起，或強(qiáng)烈震動(dòng)導(dǎo)致的按鍵抖動(dòng)），則由“按下抖動(dòng)”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“穩(wěn)定松開”狀態(tài)

2.2 編程實(shí)現(xiàn)

2.2.1 狀態(tài)定義

對應(yīng)上面的按鈕狀態(tài)圖，可以知道需要用到4個(gè)狀態(tài)：

穩(wěn)定松開狀態(tài)（KS_RELEASE）

按下抖動(dòng)狀態(tài)（KS_PRESS_SHAKE）

穩(wěn)定按下狀態(tài)（KS_PRESS）

松開抖動(dòng)狀態(tài)（KS_RELEASE_SHAKE）

這里使用枚舉來定義這4個(gè)狀態(tài)。為了在調(diào)試時(shí)，能夠把對應(yīng)狀態(tài)名稱以字符串的形式打印出來，這里使用宏定義的一個(gè)小技巧：

#符號+自定義的枚舉名稱

即可自動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樽址问?，再將這些字符串放到const char* key_status_name[]數(shù)組中，便可通過數(shù)組的形式訪問這些狀態(tài)的字符串名稱形式。

此外，為了不重復(fù)書寫枚舉名稱與對應(yīng)的枚舉字符串(#+枚舉名稱)，進(jìn)一步使用宏定義的方式，只定義一次狀態(tài)，然后通過下面兩條宏定義，實(shí)現(xiàn)對枚舉項(xiàng)和枚舉項(xiàng)對應(yīng)的字符串的分別獲取：

#define?ENUM_ITEM(ITEM)?ITEM,#define?ENUM_STRING(ITEM)?#ITEM,

具體是宏定義、枚舉定義與枚舉名稱數(shù)組聲明如下：

#define?ENUM_ITEM(ITEM)?ITEM,#define?ENUM_STRING(ITEM)?#ITEM,#define?KEY_STATUS_ENUM(STATUS)???????????????
????STATUS(KS_RELEASE)???????/*穩(wěn)定松開狀態(tài)*/???
????STATUS(KS_PRESS_SHAKE)???/*按下抖動(dòng)狀態(tài)*/?
????
??STATUS(KS_PRESS)???????/*穩(wěn)定按下狀態(tài)*/????
???STATUS(KS_RELEASE_SHAKE)?/*松開抖動(dòng)狀態(tài)*/??????
?STATUS(KS_NUM)???????????/*狀態(tài)總數(shù)(無效狀態(tài))*/??	
ypedef?enum{KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)}KEY_STATUS;const?char*?key_status_name[]?=?{KEY_STATUS_ENUM(ENUM_STRING)};

宏定義不便理解的，可以將宏定義分別帶入，轉(zhuǎn)為最終的結(jié)果，理解替代后的具體形式，比如下面的宏定義帶入替換示意：

/*KEY_STATUS_ENUM(STATUS)?-->?
STATUS(KS_RELEASE)?...?
STATUS(KS_NUM)KEY_STATUS_ENUM(ENUM_ITEM)-->?
ENUM_ITEM(KS_RELEASE)?...?
ENUM_ITEM(KS_NUM)-->?KS_RELEASE,?...
?KS_NUM,KEY_STATUS_ENUM(ENUM_STRING)-->?
ENUM_STRING(KS_RELEASE)?...
?ENUM_STRING(KS_NUM)-->
#KS_RELEASE,?...?#KS_NUM,*/

?

2.2.2 狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)

下面是狀態(tài)機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)：

狀態(tài)機(jī)函數(shù)key_status_check在一個(gè)循環(huán)中，被每隔10ms調(diào)用一次

定義一個(gè)g_keyStatus表示狀態(tài)機(jī)所處的狀態(tài)

在每個(gè)循環(huán)中，switch根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)，執(zhí)行對應(yīng)狀態(tài)所需要執(zhí)行的邏輯

定義一個(gè)g_DebounceCnt用于消抖時(shí)間計(jì)算，當(dāng)持續(xù)進(jìn)入消抖狀態(tài)，每次循環(huán)(10ms)中將此值加1，持續(xù)一定次數(shù)(5次，即50ms)，認(rèn)為是穩(wěn)定的按下或松開，消抖完成，跳轉(zhuǎn)到穩(wěn)定方向或穩(wěn)定松開狀態(tài)

在每個(gè)狀態(tài)的執(zhí)行邏輯中，當(dāng)檢測到某些條件滿足時(shí)，跳轉(zhuǎn)到其它的狀態(tài)

通過狀態(tài)的不斷跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行

此外，為方便觀察狀態(tài)機(jī)中狀態(tài)的變化，定義了一個(gè)g_lastKeyStatus表示前一狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，可以將狀態(tài)名稱打印出來

KEY_STATUS?g_keyStatus?=?KS_RELEASE;?//當(dāng)前按鍵的狀態(tài)
KEY_STATUS?g_lastKeyStatus?=?KS_NUM;?//上一狀態(tài)
int?g_DebounceCnt?=?0;?//消抖時(shí)間計(jì)數(shù)
void?key_status_check(){switch(g_keyStatus){//按鍵釋放(初始狀態(tài))
case?KS_RELEASE:{//檢測到低電平，先進(jìn)行消抖if?(KEY0?==?0){g_keyStatus?=?KS_PRESS_SHAKE;g_DebounceCnt?=?0;}}break;//按下抖動(dòng)
case?KS_PRESS_SHAKE:{g_DebounceCnt++;//確實(shí)是抖動(dòng)
if?(KEY0?==?1){g_keyStatus?=?KS_RELEASE;}//消抖完成
else?if?(g_DebounceCnt?==?5){g_keyStatus?=?KS_PRESS;printf("=====>?key?press
");}}break;//穩(wěn)定按下
case?KS_PRESS:{//檢測到高電平，先進(jìn)行消抖
if?(KEY0?==?1){g_keyStatus?=?KS_RELEASE_SHAKE;g_DebounceCnt?=?0;}}break;//松開抖動(dòng)
case?KS_RELEASE_SHAKE:{g_DebounceCnt++;//
確實(shí)是抖動(dòng)if?(KEY0?==?0){g_keyStatus?=?KS_PRESS;}//消抖完成
else?if?(g_DebounceCnt?==?5){g_keyStatus?=?KS_RELEASE;printf("=====>?key?release
");}}break;default:break;}if?(g_keyStatus?!=?g_lastKeyStatus){g_lastKeyStatus?=?g_keyStatus;printf("new?key?status:%d(%s)
",?g_keyStatus,?key_status_name[g_keyStatus]);}}int?main(void){delay_init();????//延時(shí)函數(shù)初始化?
?KEY_Init();uart_init(115200);printf("hello
");while(1){key_status_check();delay_ms(10);}}

注：本例程需要使用一個(gè)按鍵，需要初始化對應(yīng)的GPIO，這里不再貼代碼。

2.3 使用測試

將完整的代碼編譯后燒錄到板子中，連接串口，按下與松開按鍵，觀察串口輸出信息。

我的測試輸出信息如下：

前兩次撥動(dòng)按鍵模擬按鈕抖動(dòng)的情況，可以看到串口打印出兩次從松開到按下抖動(dòng)的狀態(tài)切換。

然后是按下按鍵，再松開按鍵，可以看到狀態(tài)的變化：松開?-> 按下抖動(dòng) ->?按下?-> 松開抖動(dòng) ->?松開

3 總結(jié)

本篇介紹了嵌入式軟件開發(fā)中常用的狀態(tài)機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，并通過按鍵消抖實(shí)例，以常用的switch-case形式，實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)的狀態(tài)機(jī)編程代碼實(shí)現(xiàn)，并通過測試，串口打印對應(yīng)狀態(tài)，分析狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)跳轉(zhuǎn)過程。

編輯：黃飛

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