第四章 流程管理的利器——状态机（上）
前言
- 很多学生会C语言，很好，你获得了学习嵌入式的入场券；
- 大部分同学会使用CPU外设，Good，你进入了嵌入式的大门；
- 有相当一部分学员会通过外设移植外围电路的驱动，Great，你可以尝试做项目了；
但大部分人都卡死在这个位置，只能做一个可怜的码农，系统稍微复杂一点，程序就写的一团乱麻，自己都看不懂。
遇见流程极其复杂的项目，如何管理代码，才能让整个程序变得十分优雅又方便调试呢？
使用状态机！！！
4.1 项目引入
我在工作的时候接到这么一个技术支持，项目也不难，可以当个引入例子：
- 简单的电子时钟，支持时间显示、时间设置、闹铃设置、闹铃、支持显示温度。
- 硬件上：八个8段数码管、两个按键上下排布，配合一个RTC芯片和温度传感器；
- 默认上电先读取RTC后直接显示时钟，显示格式为“HH：MM：SS”，其中一个冒号占用一个数码管；时间显示5s之后切换成温度显示，格式为“TT.TC”；温度显示5s后切换成时间显示，如此循环；
- 在时钟显示界面，如果同时按下两个按键进入菜单页面，菜单用数字编码在数码管上闪烁显示；
- 在菜单页面，通过按上下按钮，用于切换菜单；
- 选中菜单之后，同时按下两个按键，进入当前菜单配置界面；
- 在菜单配置界面配置完成后，按下两个按键跳出到菜单页面；
- 在菜单界面或者菜单配置界面，如果超过30s未按下按键，则直接退回到时间显示界面；
- 时间配置菜单编码为1；进入此菜单后，按上键调节小时，按下键调节分钟；特别地，如果长按下键，属于快速调节分钟；
- 闹铃配置菜单编码为2；进入此菜单后，按上键调节小时，按下键调节分钟；特别地，如果长按下键，属于快速调节分钟；
- 还有其他菜单，这里砍了，简化一下功能；
已经开始有人头疼了！
很多51单片机基础教程中，都把编写电子钟的项目放到最后，起到总结的效果。
但是对于很多学生来说，单独驱动按键、数码管、时钟芯片、温度传感器都没问题；就是和在一块问题非常严重，包括但不限于：
- 逻辑混乱理不清，一千个初学者和中学者就有1001个程序架构；
- 功能代码和跳转的变量不得不放在同一个函数里边，但凡拆分称不同变量就要上全局变量；
- 按键按下，数码管卡壳甚至直接歇菜；
- 数码管显示那么多不同内容，不知道咋处理最好；
- 旧功能写好了，添加新功能时，发现程序架构不兼容，需要推倒重做；
- 按键按下顺序不一样，会出现各种不同的bug等。
以至于，很多学员跟着视频或者课本敲了一遍电子钟程序之后，既没有分析也没有调试，就直接结项，然后自信满满的说“51已经轻松拿捏”。
可真正去做项目的时候，还是一个头两个大：驱动都调通了，咋揉和一块呢？为何揉在一块老是出bug呢？这个垃圾新功能为啥不能兼容老程序呢？
4.2 状态机的引入
无论多复杂的项目，都可以用“状态机”来统一管理！
在编写代码之前，先把项目要求进行拆分，简单的拆分方法是分成“状态（State）”和“状态转移条件（Switch）”两部分。
4.2.1 状态区分
举个例子：
这个项目有那么多条件，真正能够区分的，其实就是如下几个状态：
初始（Init）、正常显示（NormalShow）、菜单（Menu）、时间设置（TimeSet）、闹铃设置（AlarmSet）五个状态（根据自己的习惯也可以进一步的粗分和细分状态数量）；
4.2.2 状态功能
在每个状态下，代码功能都是简单的、独立的，可以独立编写和调试。
- 初始（Init）状态下，初始化RTC、温度传感器，这都能在demo中找到源码，直接复制过来就能用；
- 正常显示（NormalShow）状态下，定时读取RTC，数码管显示时间；定时读取温度传感器，数码管显示温度；实现时间显示5s，温度显示5s（如果嫌麻烦的话，可以把此状态拆分为俩，然后5s切换一下状态也是可以的）；
- 菜单（Menu）模式下，上下按键切换菜单内容，需要按键和数码管配合，也不难；
- 时间设置（TimeSet）、闹铃设置（AlarmSet）状态，上下按键切换时间，也是一个简单的功能
4.2.3 状态切换
在每个状态下如何切换到下一个状态也都是有条件的，比如：
- 初始（Init）状态结束后直接进入正常显示（NormalShow）状态
- 正常显示（NormalShow）下，同时按下两个按键，进入菜单（Menu）状态
- 在时间设置（TimeSet）界面如果同时按下两个按键，就回到菜单（Menu）状态；如果超过30s未动作，就回到正常显示（NormalShow）状态
这些就是状态转移条件。
4.2.4 状态机整理表格
一般教材喜欢画状态转移图，我不会，这里就用列表来总结上边的操作。
| 名字 | 标签 | 功能 | 转出条件 |
|---|---|---|---|
| 初始 | Init | 初始化硬件 | 初始完成切换到正常显示（NormalShow）状态 |
| 正常显示 | NormalShow | 读取RTC和温度传感器，显示时间和温度，5s切一次；到闹铃时间提示闹铃 | 同时按下Key_Up和Key_Down进入菜单（Menu）状态 |
| 菜单 | Menu | 显示功能菜单，两个按键切换菜单 | 同时按下Key_Up和Key_Down，根据菜单编号，分别进入时间设置（TimeSet）、闹铃设置（AlarmSet）状态 |
| 时间设置 | TimeSet | Key_Up小时++、Key_Down分钟++，Key_Down长按则分钟快调 | 1、同时按下Key_Up和Key_Down进入菜单（Menu）状态 2、30s无动作则进入正常显示（NormalShow）； |
| 闹铃设置 | AlarmSet | Key_Up小时++、Key_Down分钟++，Key_Down长按则分钟快调 | 1、同时按下Key_Up和Key_Down进入菜单（Menu）状态 2、30s无动作则进入正常显示（NormalShow）； |
4.3 简单状态机的代码编写
根据4.2章节的分析，各个状态功能基本都是独立的，可以很容易编写和调试，现在只要管理好各个状态的切换即可。这样，代码编写就会被拆分成若干个子过程，而不是把所有的状态分析混成一锅粥来统一编写；
4.3.1 状态枚举
阅读其他大型代码，无一例外，状态的设置都是用的枚举，没有一个用define的。
用枚举有啥好处？
- 枚举的值默认从0开始依次+1，数据绝对不会重复（强行重复也会提示错误）；而用define，所有状态的编号需要用户自己管理；
- 枚举名字自定义，不仅方便阅读，也能当连续的数字索引用；define当数字索引管理极其麻烦；
- 最重要的是，枚举想要添加一个状态，只需要在其中任意位置插入新状态就行，其他状态的值会自动发生变化，程序员完全不用参与，旧代码完全兼容，不做任何修改就可以兼容；而define添加新状态后，需要认真进行管理，一个不小心可能就跑飞了；
鉴于此，我们这里依然用枚举进行状态定义：
typedef enum { State_Init, //初始状态，索引默认从0开始 State_NormalShow, State_Menu, State_TimeSet, State_AlarmSet, State_Max } State_Def;4.3.2 编写各个状态下的程序代码
这里假如各种状态下，运行代码运行的驱动都搞定了，只着眼于状态机的编写。后续用到哪个函数，就在程序中进行注释。
这里每一个状态下的程序功能都可以单独编写和和调试。
4.3.3 状态运行函数（重点之一）
编写stateMachineRun()函数，用于根据状态的不同运行不同的函数，其实就是switch语句进行拆分；
//全局变量，用于保存当前状态机状态 static State_Def g_CurState = State_Init; //保存按键状态的变量，通过调用getKey()函数来获取 //1表示按下，0表示未按下 static char key_up, key_down; void stateMachineRun(void) { switch(g_CurState) { case State_Init: //初始化状态执行硬件初始化函数 BSPInit(); break; case State_NormalShow: //正常显示状态执行显示时间和温度的函数 //这里更新显示码， //具体数码管扫描推荐使用定时器，下同 normalShow(); break; case State_Menu: //菜单状态，显示菜单函数， //进入函数判断一次按键，决定是否上下翻，然后立马跳出，不允许阻塞或者延时 showMenu(); break; case State_TimeSet: //根据上下按键决定数字是否发生变化， //然后立马退出，不允许阻塞或延时 setTime(); break; case State_AlarmSet: //同上 setAlarm(); break; default: break; } }再次强调：上边出现的函数，除了BSPInit()之外，其他函数都不允许阻塞或者延时，每次调用就执行一个循环流程，只要状态不改，这些函数就会不停地刷新。这是状态机的优势所在！！！
4.3.4 状态切换函数（重点之二）
状态切换函数非常重要，根据条件，进行状态的转移；
//记录超时时间的时间戳 //要求定时器中1s自加一次 static int timeTicket = 0; //1s定时器中断，让timeTicket自加 void timerEvent() { timeTicket++; } void stateMachineSwitch(void) { if((key_up == 1) || (key_down == 1)) { //有按键按下，则超时戳清零 timeTicket = 0; } switch(g_CurState) { case State_Init: //初始化函数执行完成之后 //直接切换到正常显示模式 g_CurState = State_NormalShow; break; case State_NormalShow: //双键按下，切换到菜单状态 if((key_up == 1) && (key_down == 1)) { g_CurState = State_Menu; timeTicket = 0; //超时戳清零 } break; case State_Menu: if(timeTicket == 30) { //超时，则退回正常显示模式 g_CurState = State_NormalShow; } //双键按下，切换到子菜单状态 if((key_up == 1) && (key_down == 1)) { //获取当前选择的菜单码 int menu = getMenu(); //根据菜单码来确定进入哪个子菜单 if(menu == 1) g_CurState = State_TimeSet; if(menu == 2) g_CurState = State_AlarmSet; } break; case State_TimeSet: if(timeTicket == 30) { //超时，则退回正常显示模式 g_CurState = State_NormalShow; } //双键按下，切换到菜单状态 if((key_up == 1) && (key_down == 1)) { g_CurState = State_Menu; } break; case State_AlarmSet: if(timeTicket == 30) { //超时，则退回正常显示模式 g_CurState = State_NormalShow; } //双键按下，切换到菜单状态 if((key_up == 1) && (key_down == 1)) { g_CurState = State_Menu; } break; default: break; } }4.3.5 状态机函数整合
上边关于状态运行和状态切换的函数都已经编写完成，后续在添加一些辅助函数就可以打包成一个程序：
void stateMachine(void) { getKey(&key_up,&key_down); //获取按键状态 stateMachineRun(); //按键状态运行 stateMachineSwitch(); //按键状态切换 }这样的函数在主程序的主循环里边就可以不停地调用，这也就是为啥状态机里边的函数不允许阻塞的原因，因为外边有个大循环框着呢。
至此，简单状态机代码架构已经编写完成；
4.4 总结
个人认为，这是性价比比较高的状态机编写方法，大家一定要掌握编写使用技巧。
上边咱们已经编写了最简单的状态机编码，只是不同的状态机流程，都需要大改上边提到的每一个函数，特别是状态转移函数stateMachineSwitch()。
如果这个架构是自己编写的还好维护，如果让其他人接手，依然是一个头两个大，不利于程序的维护（如果故意想写屎山代码，当我没说）。
能不能编写一个通用的状态机代码，用户只需像"填充表格"一样，集中管理状态代码、状态转移条件，就能适用各种流程的状态机？甚至是状态机里边套子状态机？
关于通用的状态机代码编写，咱们放大下一篇文章继续研究。
