【STM32】状态机(State Machine)

这篇博客介绍 状态机(State Machine),适合用于嵌入式开发、驱动开发、协议解析、按键识别等多种场景。

一、什么是状态机(State Machine)?

状态机(State Machine)是一种用于描述系统行为的抽象模型,它能够根据当前状态和输入条件,转换到下一个状态,并执行相应操作。

使用场景常见有:

  • 按键消抖与识别
  • 通信协议(如 UART、Modbus、CAN)
  • 嵌入式流程控制(菜单系统、流程调度等)(我们此前的文章为贪吃蛇小游戏设计菜单系统 和 贪吃蛇的状态改变 便用到了状态机)
  • Linux 驱动状态切换
  • UI 界面状态设计
  • ...等
二、状态机的基本组成
元素 说明
状态(State) 系统可能处于的状态集合,例如:IDLE、WAIT、RUN
事件/输入(Event) 触发状态转移的条件,例如:按键按下、超时、数据接收
动作(Action) 状态转移时执行的操作,例如:发送数据、点亮LED
转移(Transition) 状态 + 输入 → 新状态 + 动作
状态机分类
类型 说明 示例
有限状态机(FSM) 状态数量有限,事件驱动型 按键识别
Mealy 状态机 输出依赖于状态 + 输入 通信协议
Moore 状态机 输出只依赖当前状态 电梯状态控制
层级状态机 状态嵌套,适合复杂系统 UI 菜单系统
三、状态机图示(例:按键识别)
bash 复制代码
+---------+      按下      +---------+
|  空闲态 | -------------> | 按下态  |
+---------+               +---------+
     ^                         |
     |                         | 松开
     |                         v
+---------+ <------------- +---------+
| 单击处理 |               | 松开态  |
+---------+      超时      +---------+
四、代码模版说明(结构体 + 函数指针实现)

✅ 1. 状态定义

c 复制代码
typedef enum {
    STATE_IDLE,
    STATE_PRESS,
    STATE_RELEASE,
    STATE_CLICK,
    STATE_MAX
} State_t;

✅ 2. 事件定义

c 复制代码
typedef enum {
    EVENT_NONE,
    EVENT_KEY_DOWN,
    EVENT_KEY_UP,
    EVENT_TIMEOUT
} Event_t;

✅ 3. 状态处理函数指针表

c 复制代码
typedef void (*ActionFunc)(void);

typedef struct {
    State_t current_state;
    Event_t event;
    State_t next_state;
    ActionFunc action;
} StateTable_t;

✅ 4. 状态转移表

c 复制代码
void do_nothing(void) {}
void handle_click(void) { printf("Click!\n"); }

StateTable_t state_table[] = {
    {STATE_IDLE,    EVENT_KEY_DOWN,   STATE_PRESS,    do_nothing},
    {STATE_PRESS,   EVENT_KEY_UP,     STATE_CLICK,    handle_click},
    {STATE_CLICK,   EVENT_TIMEOUT,    STATE_IDLE,     do_nothing},
    {STATE_PRESS,   EVENT_TIMEOUT,    STATE_IDLE,     do_nothing},
};

✅ 5. 状态机执行函数

c 复制代码
State_t current_state = STATE_IDLE;

void state_machine_run(Event_t evt) {
    for (int i = 0; i < sizeof(state_table)/sizeof(StateTable_t); ++i) {
        if (state_table[i].current_state == current_state &&
            state_table[i].event == evt) {
            if (state_table[i].action) {
                state_table[i].action();
            }
            current_state = state_table[i].next_state;
            break;
        }
    }
}
状态机的实际作用:
复制代码
场景						状态说明
按键处理					IDLE → PRESS → RELEASE → CLICK
通信协议					WAIT_RX → RECEIVING → PARSE → REPLY
UI 界面					主界面 → 设置界面 → 子菜单 → 返回
电机控制					停止 → 加速 → 稳速 → 减速

使用状态机时需要注意:① 状态机逻辑清晰,避免 if/else 嵌套过深;② 使用结构体+函数指针提高可扩展性;③ 可配合定时器、事件队列使用;④ 状态机应保持单一职责,避免过度复杂。

状态机调试方法:

复制代码
状态打印					每次状态切换打印当前状态
图示辅助					画状态图帮助理清逻辑
加日志					用 log 函数记录状态流转
使用断点					在 state_machine_run() 中下断点观察转移

状态机是嵌入式开发中最实用的控制逻辑模型之一 ,掌握它能帮助在程序逻辑中有效管理复杂流程、提高代码可读性与可维护性。

以上,欢迎有从事同行业的电子信息工程、互联网通信、嵌入式开发的朋友共同探讨与提问,我可以提供实战演示或模板库。希望内容能够对你产生帮助!

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