有限状态机在单片机编程中的应用

摘要：电子技术日新月异，对单片机的编程提出了更高的要求，基于c语言的有限状态机看，可以有效地提高单片机的实时性，同时也增强了程序的可读性和可移植性，便于程序的模块化。

关键词：有限状态机；单片机；按键

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2013）22018701

0引言

有限状态机FSM（Finite State Machine）是一种数学模型，它以有限个状态以及在这些状态间的转移和动作构成，它适用于系统分析到设计整个过程，应用十分广泛。

有限状态机以描述控制特性为主，它特别适合发生有先后顺序或者有逻辑规律的事件，也是软件上常用的一种处理方法。在单片机程序的应用上，有限状态机把复杂事件分解成有限个稳定状态，通过外部事件的驱动，改变程序当前的状态同时做出相应的操作处理。

1有限状态机

有限状态机主要按照规定的顺序依次完成各种操作，它由一定数目的状态和相互之间的转移构成，在任何时候系统只能处于给定状态中的一个，在外部事件的驱动下，状态机会产生相应的动作处理，同时也可能伴随着状态的转移。有限状态机可以分成两类，第一类为Moore状态机，它的输出只和状态有关而与输入无关；第二类称为Melay状态机，它的输出不仅和状态有关而且和输入有关系。

1.1有限状态机要素

有限状态机包含了现态、条件、动作、次态4个要素。现态指程序所处的当前状态，在满足一定的条件下，系统将会产生一个动作或者执行一次状态的转移，次态是满足条件后转移的新的状态，一旦次态被激活，则转变为新的现态。在这4个要素体现出了状态机内部各状态的因果关系，现态和条件是因，次态和动作是果。

1.2建立有限状态机

有限状态机通常主要有两种方式表现方式，一种是“状态转移图”，另一种是“状态转移表”，这两种方式都可以有效的表现出各个状态间的转移关系。

通常，我们用SWITCH-CASE、IF-ELSEIF-ELSE语句在软件中实现状态机的方法和程序结构。实际编程过程中，虽然有限状态机思想提供了很好的编程思路，但是还应该探讨使用归类的方法来进一步提高程序执行效率，因此在编程之前，应该确定程序中存在哪几个状态，这样能够大大缩短程序的长度，可读性也明显增强。

本文通过单个按键信号的检测为例，对状态机的使用进行说明。

在实际应用中，按键的操作是随机的，系统需要对按键一直循环查询。按键的按下和释放检测过程也需要进行消抖处理，这个过程大概需要10ms左右，因此需要设置S0到S2，分别表示判断有无键按下、确定有键按下、等待按键释放3个基本状态。

图2单个按键的状态机转换图采用有限状态机检测按键的过程中，次态与输入以及当前状态有关，因此采用的是Melay状态机模型。在检测过程中，输入为按键信号，鉴于按键普遍连接方法，一般情况下都是“1”表示无键按下，“0”表示有键按下。

在程序中，首先设置按键初始状态为s0，进入按键检测程序，读出按键的当前状态，进入判断过程。如果为s0或s1，通过判断语句判断是否有键按下，即输入信号是否为“0”，如果为“0”则此时进入下一个状态，s0状态对应进入s1状态，s1状态对应进入s2状态；如果为“1”则表示无键按下，返回初始状态s0；如果进入的当前状态为s2，则表示此时确实有键按下需要等待按键释放，再次检测按键输入信号，如果输入为“0”，表示按键未释放，输入为“1”表示按键已经释放，返回到状态s0。

具体软件实现如下：

static char key_state=s0；// 按键初始状态

char key_press，key_return=0；

key_scan（）

{

key_press=key_input；//读按键输入

switch（key_state）

{

case s0：if（！key_press） key_state=s1； // 有键按下，程序进入状态s1，

Break；

case s1：if（！key_press）//确认按键按下，进入状态s2

{

key_return=1；

key_state=s2；

}

else//无键按下，按键抖动，返回状态s0

key_state=s0；

break；

case s2：if（key_press） key_state=s0；//按键释放，返回状态s0

break；

}

}

3结语

有限状态机简单易用，它可以使程序各个状态间的关系变得直观，更有利于程序的模块化。使用有线状态机对单片机编程，可以增强程序的实时性，同时也大大提高了程序的可读性、可移植性。

参考文献

[1]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[2]黄新林，王钢，刘春刚.有限状态机在单片机编程中的应用[J].哈尔滨理工大学学报，2008，（8）.