状态机思路在单片机程序设计中的应用
单片机基于状态机和任务队列的程序设计

目规划的合理性、清晰性,使开发过程中软件的编制更加模块化,更便利了后期 的软件功能扩展及维护。而文中基于状态机和任务队列的程序框架便能够满足以 上的各种需求。笔者在 XXXXXX 股份有限公司开发高低压固态软起动器软件中便 利用了此项技术,该类产品的软件性能及实时性在公司内部都经过了大量的严格 验证,通过实验证明完全达到了预期的效果,并且产品在客户现场的使用中也获 得了极大的成功。
case STATE2: if(条件满足) { … TaskState = STATE3; //进入下一个状态 } Break; . .
case STATEN: if(条件满足) { … TaskState = STATE1; //回到状态 1 } Break;
Default: TaskState = STATE1; //回到状态 1 Break;
}
2.2 任务队列实现原理[2] 在已划分的多个任务中,有些任务的实时性要求较高,而有些较低。对于实
时性要求较低的任务,我们就可以用任务队列来管理他们。当一个低实时性要求 的任务被触发时(被中断或其他任务触发),我们可以将它放入队列中,让其等 待其他先入队的任务执行完毕后再执行。这样就有效的避免了多个实时性要求低 的任务在主循环一次全被执行的现象,从而为单片机腾出更多的时间处理实时性 要求较高的任务。下面通过一个例子来描述任务队列的应用:
#define Task1 1 #define Task2 2 #define Task3 3 unsigned char PopTaskFromQueue(void);//读取队列中的任务
void PushTaskInQueue(unsigned char TaskID); //把任务放入队列
状态机在ic设计中的作用和意义

状态机在ic设计中的作用和意义状态机在IC设计中扮演着非常重要的角色,它是数字电路设计和自动控制系统中的一个基础概念。
状态机的作用主要体现在以下方面:1.描述系统行为:状态机是一种模型化工具,可以描述系统的行为模式和状态转换规则。
通过定义输入和输出信号,以及状态转移条件和动作,可以清晰地描述系统的逻辑关系和动作序列,帮助设计师更好地理解和分析系统行为。
2.分析和验证设计:状态机可以用于形式化验证和验证设计的正确性。
通过状态机的形式化建模,可以应用形式化验证技术对设计进行验证,分析设计中是否存在死锁、冲突等问题。
这样可以在设计阶段发现和解决潜在的问题,提高设计的可靠性和稳定性。
3.驱动复杂控制逻辑:在许多系统中,特别是在通信、网络和计算机体系结构中,存在着复杂的控制逻辑。
状态机可以用于驱动这些复杂的逻辑,指导数据的处理和动作的执行。
通过将复杂逻辑拆分为不同状态和状态转移条件,可以降低系统设计的复杂度和难度。
4.多线程控制:在多线程系统中,状态机可以用于控制不同线程之间的协调和同步。
通过定义不同的状态和状态转移条件,可以控制不同线程的执行顺序,避免冲突和竞争条件,提高系统的效率和性能。
5.识别和解析序列:在通信和协议分析中,状态机可以用于识别和解析输入序列。
通过定义状态和状态转移条件,可以建立输入信号和操作的对应关系,识别和解析复杂的通信协议和数据格式,以实现有效的数据处理和解析。
6.功耗优化:状态机可以用于实现功耗优化策略。
通过定义不同的状态和状态转移条件,可以根据输入信号的变化情况选择合适的动作和操作,以减少功耗的消耗和资源的使用,提高系统的能效和性能。
7.逻辑综合与优化:在数字电路的设计中,逻辑综合是将高层次的设计描述转换为低层次的门级电路描述的过程。
状态机可以作为逻辑综合的重要输入,通过状态机的描述,可以进行逻辑综合和优化,优化电路的布局和布线,提高电路的性能和可靠性。
总之,状态机在IC设计中具有重要的作用和意义。
复杂功能模块设计(状态机)

在正向设计中,一个数字系统首先要分解为若干个功能模块,例如一个单片机除CPU、存储器外,可能包括中断控制器、定时/计数器、异步串行接口、SPI接口、I2C接口等,这些电路就是功能模块。
一个重要设计思想是,任何复杂功能模块是由状态机和数据通道两部分构成的。这里数据通道(Datapath)指的是典型逻辑电路,如计数器、寄存器、算术运算电路等。状态机就是控制器,数据通道在状态机控制下工作。一个复杂功能模块的设计几乎总是从状态机设计开始的。
例1:设计一个简单报警器。
输入信号来自8位A/D转换器,要求当输入大于等于100时,产生报警信号,当输入回落到97以下时解除报警信号。
分析:关键是输入为98、99时怎么处理?
代码:
例2:简易交通灯问题。主干道至少通行10分钟才能使小路方向通行1分钟。在主干道通行时,如果有过街请求则在10分钟到时变为小路通,状态机代码
例3:售货机问题
假设商品价格7角,并假设每次只能销售一个商品,且售货机发现金额超过7角即关闭投币口。找零时,每次只能找回一枚硬币,如需找回5角以上,优先考虑5角。
例4:JTAG中的TAP状态机
4.2状态机设计方法
一般情况下,一个数字电路系统总是可以分解为数据通道(Datapath)和状态机两个部分。“数据通道”一词与字面意义不同,泛指较常用的数字部件,具有通用性。状态机则是对电路特殊性部分的描述。这里所说的“状态机”是一种描述电路功能的方法,与数字电路中的状态转换图类似,但要更抽象一些。以下以一个“密码”定时器为例,介绍状态机分析方法。
(1)电路功能描述
输入输出信号见图4-6,只要求设计“密码定时器”模块。
上电复位后,定时器处于等待状态,输出控制信号“out”为0,计时显示输出为BCD码“9”。
状态机原理在控制程序设计中的应用

中图分类号:T 7 P2 3 文献标识码: A 文章编号:1 0 -0 3 ( 0 7 1 - 0 7 0 9 1 4 2 0 ) 0 5 — 4 0 0
T e a l a i h i i u om a i rnc p e i o t o ogr m h pp i ton of e fn t a t c t e ton p i i l n c n r l pr a
成 ,程序 的执 行实 际上就 是 依据 不 同的 条件 ,在这 些程 序分 支和模 块 问的转 移 。控 制程 序具 有 有限状
CHEN Xio qn JANG n b JN Ho g a — i, I Cu — o. I n
( e at n o lcrn s&c mp trGul nv ri f e h oo y Gul 4 0 , hn ) D pr me t f e t i E o c o ue, i U iest o c n lg , i 5 1 4 C ia i n y T i n 0
有 限状 态 自动 机(ii uo tn 简称 F ) Fnt A tma , e o A 是
一
任 何时 刻总 是处 于某 一确 定 的状态上 ,且其 行 为是 确 定 的。有限状 态 自动机 M 可 以用一 个五 元组 来描
述 I4 。l l 『
M :[ S Y6, ] X, , , 九
51单片机用有限状态机算法实现顺序控制

灯熄 灭 1 后 ,c 8S 灯熄 灭 。 根 据上述 要 求 ,设计 出的 8 S 1 片机 接 线 图如 95 单
图 l 示 ,其 中 ,3 0引脚 连 接 按 键 k P . 、2 1 所 P. ;2 0 P . 、
P. 2 2引脚 分别 连接 a灯 、b灯 、C灯 。
第4 ( 期 总第 1 7 ) 6期
2 1 年 8月 01
机 械 工 程 与 自 动 化
M ECHANI CAL ENGI NEERI NG & AUT0MATI ON
No. 4
Au . g
文章 编 号 :6 2 6 1 2 1 )0 — 0 2 0 17 - 4 3( 0 1 4 0 4 — 3
的多分 支的结构 ,并很 容易用 c语言来 实现 。当我们
进 行单 片机 开发 时 ,把 有限状态机 作为 一种思想 导入
c s N aeS : / /在状态 S N / /插入 S N的操作 ; / /插 入 离 开 s N的转 移 ;
b e k: ra
} )
通 常 将 表 示状 态 转 移 的多 个 i f语句 写 成 i- le f es 语句 ,这样 可 以使转移 条件形成 互斥 。其语 句如下 :
低 电平 灯 亮
i (k =) fk : O ft t= :k 8:O O } s ae lk = t = ;
api t n i o w r f n uta cn o [] 7h pl ao s n sf a o i sil ot l C/ t ci t e r d r r /2
再次 按 下 时 ,a灯 立刻 熄灭 ,b灯 l 5 S后熄 灭 ,在 b
单片机开发程序

单片机开发程序
单片机开发程序是一种利用单片机实现某一特定功能的程序,需要深入理解单片机的结构、指令集和编程方法。
单片机开发程序一般分为以下几个步骤:
1. 硬件设计:设计电路板、电路布局和电路连接,选择适合的单片机芯片和外围器件。
2. 编写程序:使用汇编语言或高级语言进行编程,实现具体功能。
3. 调试程序:通过仿真器、逻辑分析仪、示波器等工具调试程序,确保程序运行稳定可靠。
4. 烧录程序:将已调试好的程序通过编程器烧录到单片机芯片中,使其运行。
在编写程序时,需要了解单片机的指令集、寄存器和输入输出端口等。
单片机的指令集是其最基本的操作语言,它包括各种运算、控制和数据传输等指令,可以通过它们对单片机进行编程。
单片机的寄存器是专门用于存储数据和指令的存储器区域,可以进行读写操作。
输入输出端口是单片机与其他外部设备交换数据的接口,需要根据具体需要设计合适的输入输出端口。
一些常见的单片机编程思路包括:
1. 程序框架:需要先定义程序的结构框架,包括初始化、循环执行和中断处理等主要部分,按照框架补充具体功能。
2. 中断处理:单片机有很强的中断处理能力,可以在发生特定事件(如计时器超时、外部信号触发等)时立即执行特定操作,需要编写相关中断处理程序。
3. 状态机:单片机程序可以采用状态机编程思路,根据不同状态执行不同的操作。
状态机可以提高程序执行效率和可靠性,需要根据具体需求设计合适的状态机。
4. 软件调试:单片机程序开发中容易出现程序错误和逻辑漏洞,需要进行充分的软件调试和测试,及时发现和修复问题。
状态机——单片机的万能语言(附代码)

状态机——单片机的万能语言(附代码)毫无疑问,单片机的万能语言就是状态机,在嵌入式单片机编程中,也是我们常用的方法。
在此之前,我曾分享过两种状态机的实现方法,有些朋友说有点难度,我想再补充一些基础实现方法以及思路,一步一步走,链接放在这里了!本文将从最基础入门的方法帮助大家了解状态机,从我常用的2种状态机编写方式为大家慢慢展开。
switch/case的方法来实现要点用switch/case的结构配合一个状态变量,通过修改状态变量的值来切换状态。
代码如下1//代码参考网络23//! 定义状态名称与状态值之间的关系4#define FSM_START 0x005#define FSM_STATE_A 0x016#define FSM_STATE_B 0x027…8#define FSM_RESET 0xFF910bool fsm_example_A( <形参列表> ) {11 static uint8_t s_chFSMState = FSM_START;//!< 定义状态变量12 …13 switch ( s_chFSMState ) {14 case FSM_START:15 //! 这里添加状态机初始化代码16 …17 s_chFSMState = FSM_STATE_A;//!< 进入下一状态18 break;19 case FSM_STATE_A:20 //! 这里添加状态机A进入下一状态的检测代码21 if (<某某条件>) {22 //! 这里做一些进入下一状态时要做的准备工作23 s_chFSMState = FSM_STATE_B;//!< 进入下一状态24 }25 break;26 case FSM_STATE_B:27 //! 这里添加状态机A进入下一状态的检测代码28 if (<某某条件>) {29 //! 这里做一些进入下一状态时要做的准备工作30 s_chFSMState = FSM_STATE_A;//!< 进入下一状态31 } else if (<某某条件>) {32 } else if (<某某条件>) {33 …34 } else {35 }36 break;37 …38 case FSM_STOP:39 case FSM_RESET:40 default:41 //! 这里添加状态机复位相关的代码42 …43 chFSMState = FSM_START;//!< 状态机复位44 //! 返回false表示状态机已经不需要继续运行了45 return false;46 }4748 //! 返回true表示状态机正在运行49 return true;50}小结从代码可知,这种状态机就是一路走到黑,没有让多个状态同时处于激活状态,也就是说在同一时刻,只能处于一种状态之下。
有限状态机在单片机编程中的应用

或 程 序 模 块 , 用 有 限状 态 机 的 思 想 进 行 程 序 设 计 , 以得 到 很好 的 结 果 , 面 以 一 个 实 例 说 明 . 利 可 下
2 应 用 实 例
2 1 程序 任 务 .
设某单 片机程序的数据设置程序模 块对 应的硬件有 : 三位数码显示器 , 左至右 分别 为高 、 、 位 ; 从 中 低 五个 按键 , 其中一个 为
设置键 , 键值为“ ” 另有上 、 左 、 四个方 向键 , 1, 下、 右 键值分别为 … 、 3’… 、 5 , 2’… 、4’“ ” 没有按键 按下时 , 键值为 … . 0’ 该程序模块 的功能是 : 没有按键 按下或设置完成后 为常态 , 显示器 显示 当前数据. 常态下若按 压设置键 一次 , 在 则进 入设 置
常规编程方法通 常用标记 来区分按键和 显示的状态 ( 一个 标记通 常 占用 单片 机某 内存单 元 的一位 , 可取值 … 或 “ ” . 0’ 1 ) 例
如给设置键设置一个标记 , 并令其在 常态 下为… , 0’在设置状态 下为 “ ” 当设置键 被按 下时 , 序首 先判定该标 记 , 1. 程 若为 “ ” 0 则 表明设置键是在常态下按下 的 , 于是程序 转人设置状态 , 并将其标记设置为 … ; 1’若为 “ ” 1 则表明设置键是在设置状态下按下 的 , 于是程序结束设置状态 ( 回到常态 ) 并将其标记 清除为… . , 0’
No . 2 0 v ,0 8
有 限状 态 机 在 单 片 机 编 程 中 的应 用
赵 玉 成
( 江苏教育学 院物理系 , 江苏南京 20 1 ) 10 3
摘 要 简述 了有 限状态机 的基本概念 . 出了单 片机 的某些类 型的程序 或程序模块 可 以利 用有限状 态机进行程 序 提
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状态机思路在单片机程序设计中的应用
状态机的概念
状态机是软件编程中的一个重要概念。
比这个概念更重要的是对它的灵活应用。
在一个思路清晰而且高效的程序中,必然有状态机的身影浮现。
比如说一个按键命令解析程序,就可以被看做状态机:本来在A状态下,触发一个按键后切换到了B状态;再触发另一个键后切换到C状态,或者返回到A状态。
这就是最简单的按键状态机例子。
实际的按键解析程序会比这更复杂些,但这不影响我们对状态机的认识。
进一步看,击键动作本身也可以看做一个状态机。
一个细小的击键动作包含了:释放、抖动、闭合、抖动和重新释放等状态。
同样,一个串行通信的时序(不管它是遵循何种协议,标准串口也好、I2C也好;也不管它是有线的、还是红外的、无线的)也都可以看做由一系列有限的状态构成。
显示扫描程序也是状态机;通信命令解析程序也是状态机;甚至连继电器的吸合/释放控制、发光管(LED)的亮/灭控制又何尝不是个状态机。
当我们打开思路,把状态机作为一种思想导入到程序中去时,就会找到解决问题的一条有效的捷径。
有时候用状态机的思维去思考程序该干什么,比用控制流程的思维去思考,可能会更有效。
这样一来状态机便有了更实际的功用。
程序其实就是状态机。
也许你还不理解上面这句话。
请想想看,计算机的大厦不就是建立在“0”和“1”两个基本状态的地基之上么?
状态机的要素
状态机可归纳为4个要素,即现态、条件、动作、次态。
这样的归纳,主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。
“现态”和“条件”是因,“动作”和“次态”是果。
详解如下:
①现态:是指当前所处的状态。
②条件:又称为“事件”。
当一个条件被满足,将会触发一个动作,或者执行一次状态的迁移。
③动作:条件满足后执行的动作。
动作执行完毕后,可以迁移到新的状态,也可以仍旧保持原状态。
动作不是必需的,当条件满足后,也可以不执行任何动作,直接迁移到新状态。
④次态:条件满足后要迁往的新状态。
“次态”是相对于“现态”而言的,“次态”一旦被激活,就转变成新的“现态”了。
如果我们进一步归纳,把“现态”和“次态”统一起来,而把“动作”忽略(降格处理),则只剩下两个最关键的要素,即:状态、迁移条件。
状态机的表示方法有许多种,我们可以用文字、图形或表格的形式来表示一个状态机。
纯粹用文字描述是很低效的,所以就不介绍了。
接下来先介绍图形的方式。
状态迁移图(STD)
状态迁移图(STD),是一种描述系统的状态、以及相互转化关系的图形方式。
状态迁移图的画法有许多种,不过一般都大同小异。
我们结合一个例子来说明一下它的画法,如图1所示。
图1 状态迁移图
①状态框:用方框表示状态,包括所谓的“现态”和“次态”。
②条件及迁移箭头:用箭头表示状态迁移的方向,并在该箭头上标注触发条件。
③节点圆圈:当多个箭头指向一个状态时,可以用节点符号(小圆圈)连接汇总。
④动作框:用椭圆框表示。
⑤附加条件判断框:用六角菱形框表示。
状态迁移图和我们常见的流程图相比有着本质的区别,具体体现为:在流程图中,箭头代表了程序PC指针的跳转;而在状态迁移图中,箭头代表的是状态的改变。
我们会发现,这种状态迁移图比普通程序流程图更简练、直观、易懂。
这正是我们需要达到的目的。
状态迁移表
除了状态迁移图,我们还可以用表格的形式来表示状态之间的关系。
这种表一般称为状态迁移表。
表1就是前面介绍的那张状态迁移图的另一种描述形式。
表1 状态迁移表
①采用表格方式来描述状态机,优点是可容纳更多的文字信息。
例如,我们不但可以在状态迁移表中描述状态的迁移关系,还可以把每个状态的特征描述也包含在内。
②如果表格内容较多,过于臃肿不利于阅读,我们也可以将状态迁移表进行拆分。
经过拆分后的表格根据其具体内容,表格名称也有所变化。
③比如,我们可以把状态特征和迁移关系分开列表。
被单独拆分出来的描述状态特征的表格,也可以称为“状态真值表”。
这其中比较常见的就是把每个状态的显示内容单独列表。
这种描述每个状态显示内容的表称之为“显示真值表”。
同样,我们把单独表述基于按键的状态迁移表称为“按键功能真值表”。
另外,如果每一个状态包含的信息量过多,我们也可以把每个状态单独列表。
④由此可见,状态迁移表作为状态迁移图的有益补充,它的表现形式是灵活的。
⑤状态迁移表优点是信息涵盖面大,缺点是视觉上不够直观,因此它并不能取代状态迁移图。
比较理想的是将图形和表格结合应用。
用图形展现宏观,用表格说明细节。
二者互为参照,相得益彰。
用状态机思路实现一个时钟程序
接下来,我将就状态机的应用,结合流程图、状态迁移图和状态迁移,举一个实际例子。
下面这张图是一个时钟程序的状态迁移图,如图2所示。
图2 时钟程序状态迁移图
把这张图稍做归纳,就可以得到它的另一种表现形式——状态迁移表,如表2所示。
表2 时钟程序状态迁移表
状态机应用的注意事项
基于状态机的程序调度机制,其应用的难点并不在于对状态机概念的理解,而在于对系统工作状态的合理划分。
初学者往往会把某个“程序动作”当作是一种“状态”来处理。
我称之为“伪态”。
那么如何区分“动作”和“状态”。
本匠人的心得是看二者的本质:“动作”是不稳定的,即使没有条件的触发,“动作”一旦执行完毕就结束了;而“状态”是相对稳定的,如果没有外部条件的触发,一个状态会一直持续下去。
初学者的另一种比较致命的错误,就是在状态划分时漏掉一些状态。
我称之为“漏态”。
“伪态”和“漏态”这两种错误的存在,将会导致程序结构的涣散。
因此要特别小心避免。
更复杂的状态机
前面介绍的是一种简单的状态结构。
它只有一级,并且只有一维,如图3所示。
图3 线性状态机结构
如果有必要,我们可以建立更复杂的状态机模型。
1 多级状态结构
状态机可以是多级的。
在分层的多级状态机系统里面,一个“父状态”下可以划分多个“子状态”,这些子状态共同拥有上级父状态的某些共性,同时又各自拥
有自己的一些个性。
在某些状态下,还可以进一步划分子状态。
比如,我们可以把前面的时钟例子修改如下:
把所有和时钟功能有关的状态,合并成1个一级状态。
在这个状态下,又可以划分出3个二级子状态,分别为显示时间、设置小时、设置分钟;
同样,我们也可以把所有和闹钟功能有关的状态,合并成1个一级状态。
在这个状态下,再划分出4个二级子状态,分别为显示闹钟、设置“时”、设置“分”、设置鸣叫时间。
我们需要用另一个状态变量(寄存器)来表示这些子状态。
子状态下面当然还可以有更低一级的孙状态(子子孙孙无穷尽也),从而将整个状态体系变成了树状多级状态结构,如图4所示。
图4 树状多级状态结构
2 多维状态结构
状态结构也可以是多维的。
从不同的角度对系统进行状态的划分,这些状态的某些特性是交叉的。
比如,在按照按键和显示划分状态的同时,又按照系统的工作进程做出另一种状态划分。
这两种状态划分同时存在,相互交叉,从而构成了二维的状态结构空间。
举一个这方面的例子,如:空调遥控器,如图5所示。
图5 多维状态机结构
同样,我们也可以构建三维、四维甚至更多维的状态结构。
每一维的状态都需要用一个状态变量(寄存器)来表示。
无论多级状态结构和多维状态结构看上去多么迷人,匠人的忠告是:我们依然要尽可能地简化状态结构,能用单级、单维的结构,就不要给自己找事,去玩那噩梦般的复杂结构。
简单的才是最有效的。
结束语
对状态机的理解需要一个由浅入深的过程。
这个过程应该是与实践应用和具体案例思考相结合的。
当一种良好的思路成为设计的习惯,它就能给设计者带来回报。
愿这篇手记里介绍的基于状态机的编程思路能给新手们带来一些启迪,帮助大家找到“程序设计”的感觉。