嵌入式软件设计，为什么状态机架构应用得如此广泛？

工程师进阶笔记

我是老温，一名热爱学习的嵌入式工程师
) A1 G2 |0 z" U1 B$ `+ b关注我，一起变得更加优秀！
在嵌入式软件设计里面，不管是使用了RTOS调度还是MCU裸机开发，状态机架构应用得十分广泛，以下我们来列举一下，应用状态机架构有哪些优点。
% d4 s6 N3 z3 U一、提高CPU使用效率
& ?, l9 L: v. z2 m/ W话说我只要见到满篇都是delay_ms()的程序就会头疼，动辄十几个ms几十个ms的软件延时是对CPU资源的巨大浪费，宝贵的CPU时间都浪费在了NOP指令上。
那种为了等待一个管脚电平跳变或者一个串口数据，让整个程序都不动的情况也让我非常纠结，如果事件一直不发生电平跳变，你要等到世界末日么？
& b. B7 m# O4 a( D* C2 G如果应用状态机编程思想，程序只需要用全局变量记录下工作状态，就可以转头去干别的工作了，当然忙完那些活儿之后要再看看工作状态有没有变化。
只要目标事件(定时未到、电平没跳变、串口数据没收完)还没发生，工作状态就不会改变，程序就一直重复着“查询—干别的—查询—干别的”这样的循环，这样CPU就闲不下来了。
这种处理方法的实质就是在程序等待事件的过程中间隔性地插入一些有意义的工作，好让CPU不是一直无谓地等待。
' a$ p) u, s' e- X1 H9 n" A) I$ d+ r9 c

zf12se11bz064010814505.jpg

; Y5 l2 G3 S* i1 ~二、逻辑完备性
逻辑完备性是状态机编程最大的优点。
2 d9 C2 }; x  w* I6 ]" C/ n% v不知道大家有没有用C语言写过计算器的小程序，我很早以前写过，写出来一测试，那个惨不忍睹啊！
当我规规矩矩的输入算式的时候，程序可以得到正确的计算结果，但要是故意输入数字和运算符号的随意组合，程序总是得出莫名其妙的结果。
7 b! d" \! l' B' |8 o后来我试着思维模拟一下程序的工作过程，正确的算式思路清晰，流程顺畅，可要碰上了不规矩的式子，走着走着我就晕菜了，那么多的标志位，那么多的变量，变来变去，最后直接分析不下去了。
+ }" n9 ]5 t& r0 B很久之后我认识了状态机，才恍然明白，当时的程序是有逻辑漏洞的。
( t4 d" t1 B# L8 A- n如果把这个计算器程序当做是一个反应式系统，那么一个数字或者运算符就可以看做一个事件，一个算式就是一组事件组合。
' Q) g. u0 T$ m" s8 ]对于一个逻辑完备的反应式系统，不管什么样的事件组合，系统都能正确处理事件，而且系统自身的工作状态也一直处在可知可控的状态中。
/ |$ }3 n/ F7 ?3 y3 D反过来，如果一个系统的逻辑功能不完备，在某些特定事件组合的驱动下，系统就会进入一个不可知不可控的状态，与设计者的意图相悖。
状态机就能解决逻辑完备性的问题。
状态机是一种以系统状态为中心，以事件为变量的设计方法，它专注于各个状态的特点以及状态之间相互转换的关系。
$ D4 s9 m9 B3 m2 u状态的转换恰恰是事件引起的，那么在研究某个具体状态的时候，我们自然而然地会考虑任何一个事件对这个状态有什么样的影响。
这样，每一个状态中发生的每一个事件都会在我们的考虑之中，也就不会留下逻辑漏洞。
7 n. Y2 V# z# w+ L) \$ ]5 i+ j这样说也许大家会觉得太空洞，实践出真知，某天如果你真的要设计一个逻辑复杂的程序，会觉得状态机真香！

zjkw0gpl5he64010814605.jpg

三、程序结构清晰
用状态机写出来的程序的结构是非常清晰的。
程序员最痛苦的事儿莫过于读别人写的代码，如果代码不是很规范，而且手里还没有流程图，读代码会让人晕了又晕，只有顺着程序一遍又一遍的看，很多遍之后才能隐约地明白程序大体的工作过程。
9 ]1 e- h# E4 X( E有流程图会好一点，但是如果程序比较大，流程图也不会画得多详细，很多细节上的过程还是要从代码中理解。
相比之下，用状态机写的程序要好很多，拿一张标准的UML状态转换图，再配上一些简明的文字说明，程序中的各个要素一览无余。
程序中有哪些状态，会发生哪些事件，状态机如何响应，响应之后跳转到哪个状态，这些都十分明朗，甚至许多动作细节都能从状态转换图中找到。
5 B; ?7 X6 U, i( d可以毫不夸张的说，有了UML状态转换图，程序流程图写都不用写。
( X2 R( y' c0 w5 m) x* c" Y  G" C: e-END-
- H8 q" K& y  b# n7 d( @8 q往期推荐：点击图片即可跳转阅读
+ `% Q- s7 F+ L$ l

4cc2u0jqafy64010814705.jpg

: n% j& S# a; M4 {3 S嵌入式创新技术，深圳先行！
# k' ^  o3 P! ?( y0 V: m$ ?

c2pniaswoyz64010814805.jpg

; h8 h3 |) B0 P2 ~9 B+ w( d嵌入式软件解耦设计示例，时间片轮询调度框架

mn2hwh434o464010814905.jpg

& F% b+ G8 M8 Z$ Z嵌入式新手，在程序里面大量使用全局变量！
$ o$ Y- K1 D8 V, e- \$ u我是老温，一名热爱学习的嵌入式工程师
' h6 Q7 e9 t( {( o1 {4 u关注我，一起变得更加优秀！