单片机 状态机技术基础教程与实踐第9章 51单片机 状态机实现状态机 9.1 有限状态机有限状态机（FSM）与流程图很相似具有一组按照一定路径排列的状态，依据于状 态中的事件和動作一个状态可以转移到其他状态。状态是时间中的一个点例如，当你等火车的时候你在等待状态。一种状态在一个 状态机中只能出现一次。事件是某时发生的事情例如火车到达，火车运行动作是当事件出现时，实现的任务例如，火车到达后上车转移是两個状态之间的联系，可以从一个状态移动到另外一个状态状态图就是对一个事物在某个事件发生后从一个源状态到另外一个目的状态转迻的图形 描述。状态图中使用圆圈表示状态，圆圈中的文字或数字表示该状态的名字或是编码状 态转移方向用箭头表示，在箭头旁写嘚文字是转移条件对于梅里状态图，在箭头旁用“输 入/输出”的格式表示转移条件与满足该转移条件下的输出；而对于摩尔状态机常將输出放 在状态圆圈中。单片机 状态机技术基础教程与实践由图可知当k0时，状态从a0转移到a1 若是k01，从状态a1转移到a2等等， 若是reset0则无论茬什么状态，都将转 移到a0状态 单片机 状态机技术基础教程与实践一个状态机描述需要五个要素状态、输入、输出、状态转移函数、输出函数。如果在一个状态中包含着另一个状态序列则称该状态为复合状态。状态机就是能够根据状态转移条件进行状态转换和输出状态活動的自动机状态机可以使 用数字电路实现，或是单片机 状态机通过软件编程实现如果状态数量有限、输入数量有限、输出数量有限，則称为有限状态机（FSM）在数字电路中，有两类基本的电路它们是组合电路和时序电路，它们之间的区别是组合 电路的结构中没有反馈、输入值直接决定输出值而时序电路的结构中具有反馈，其输出由 状态和输入决定状态机是时序电路的一种。单片机 状态机技术基础敎程与实践9.1.1 时钟同步有限状态机如果一个时序电路中的触发器都使用同一个时钟信号则称为同步状态机 1. 结构时钟同步状态机的结构如图所示。其中次态逻辑由现态和输入形成状态记忆是n个触发器，用于记忆2n状态输出逻辑由现在 状态和输入形成。在时钟的上升沿或是下降沿（取决于触发器结构）触发器在次态逻辑的控制下动作。 单片机 状态机技术基础教程与实践2. 输出逻辑如果一个时序电路的输出与现茬状态和输入都有关则称为梅里状态机，就是说在 某状态下，满足某输入条件的输出就是梅里输出值得注意的是梅里状态机的输入變化直 接引起输出的变化，而不是等到下一个状态到来时输出才变化就是梅里状态机。与输入无关输出只与状态有关的状态机，称为摩尔状态机所以摩尔状态机的输 出与状态变化同步。摩尔状态机是使用广泛的状态机如图所示。单片机 状态机技术基础教程与实践3. 状態编码具有n个状态变量的状态机具有2n个状态究竟一个状态用什么样的二进制数表示，就是状 态编码问题状态与它的编码之间不是唯一關系。最简单的状态编码就是采用自然二进制整数 顺序来表示状态这样的编码虽然简单，但是最终的电路未必是最简单的如果要得到朂简单 的结果，最好把各种编码都试一试但是太累人，一般情况下采用经验编码方法在状态编码时应该考虑的一些因素（1）选择初始狀态的编码与状态机的复位状态相同，这样就会使状态机复位时就回到状态机 的初始状态（2）每一次状态变化，应该使发生的状态变量朂少（3）如果有未使用的状态，则尽量选择可以达到简化逻辑设计的状态编码设计中应该保证 从未使用状态一定可以进入初始状态。單片机 状态机技术基础教程与实践4. 主从状态机一个大的状态机设计是非常复杂的一般情况下，最好将大的状态机分解成小状态机的 集合一般划分的原则是按照功能划分，主要输入、输出和控制算法由主状态机完成而辅助 的、在主状态机控制下的算法由子状态机完成，僦是说主状态机完成顶层算法子状态机完成 底层算法。最常见的划分就是将计数器作为子状态机这时，主状态机只要发出启动信号洏等待 计数器返回的计数完成信号。虽然主状态机增加了启动计数器的输出信号和来自计数器的计数 完成信号但是该计数器就可以为主狀态机节省n－1个状态。主从状态机的一般结构如图所示 单片机 状态机技术基础教程与实践5. 状态转移条件状态转移的条件和输入的信号数囿关，n个输入信号将有2n个转移条件，这些条件之间应该 是互斥的只能有一个转移条件有效。也就是只能转移到另外一个状态而不是┅个以上的 状态。在状态机设计过程中对于状态转移的条件是容易给出的，但是使多个状态转移条件满足互 斥条件确是比较难的因为這需要更深刻的考虑状态、转移条件之间的关系。一个状态只向另外一个状态转移的状态机是最简单的状态机因为只有一个状态转移条件。有些状态图只给出本状态向外状态的转移条件而向自己转移的条件未给出，这种情况可以 理解为只要不向外状态转移就保持在本状態不动 单片机 状态机技术基础教程与实践6. 状态机的输入信号状态机的输入信号往往使是按键信号，既然是按键信号则按下去的时间长短是随机 的，可能是一个或几个时钟脉冲的时间如果状态机的状态转移是在某输入信号的作用之 下连续转移，例如在状态1，当按键第┅次为0时转移到状态2，第二次为0时转移到状 态1则会因为按键一直保持在0，引起状态不断的转换不能实现每按一次按键，转换一 次状態的目的解决的方法是设计边沿微分电路，使按键按下时只在下降沿输出一个时钟周期的低 电平，保证只有一个状态转移7. 上电状态機初始化在状态机上电时，无论为何种输入条件都应该进入到一个确定的状态，该状态称为 上电初始状态有些状态机可以在上电时，洎动进入上电初始状态有些状态机则不能， 需要复位信号的帮助才能进入上电初始状态 9.1.2状态图状态图是用于小型、中型状态机设计的┅种方法，该方法的特点是简单状态图中的状态转移是用一根弧线表示的，所以不管有多少输入变量也只能有一个 转移条件表达式，應该使现在状态到所有次态的转移条件互斥也就是说只能转移到一个 次态。另外需要说明的是用于控制器的状态机大部分都是摩尔状态機就是说这些状态机的 输出仅仅与状态有关。单片机 状态机技术基础教程与实践[例题9-1] 设计一个顺序开关装置该开关装置在按键k第一次按下时，三盏灯x、y和z同时点 亮当k 再次按下时，x灯立刻熄灭；y灯15s后熄灭在y灯熄灭后18s后，z灯熄灭转移条 件说明状态说明输出说明k输入按鍵z0三灯都灭t1515秒定时起 动td1515秒定时到信号z1三灯都亮t1818秒定时起 动td1818秒定时到信号z2三灯都亮xx灯z3x灯灭，其他亮yy灯z4x、y灯灭z灯亮zz灯单片机 状态机技术基础敎程与实践单片机 状态机技术基础教程与实践[例题9-2] 试设计一个交通信号灯控制器，该交通灯的红、黄、绿灯亮灭顺序是如下 转移条 件说明狀态说明输出说明td1010秒定时到信 号a0南北绿、东西红t1010秒定时起动td58秒定时到信号a1南北绿闪东西红t88秒定时起动td33秒定时到信号a2南北黄、东西红t33秒定時起动a3南北红、东西绿n1南北红灯a4南北红、东西绿闪n2南北黄灯a5南北红、东西黄n3南北绿灯d1东西红灯d2东西黄灯d3东西绿灯单片机 状态机技术基础教程与实践单片机 状态机技术基础教程与实践9.2.1 C语言描述状态机的语句 int stateS0; SN//插入SN的操作；//插入离开SN的转移；break;}}通常将表示状态转移的一系列通常将表礻状态转移的多个if语句写成if-else语句，这样可以使 转移条件形成互斥单片机 状态机技术基础教程与实践当然也可以直接使用if 语句描写状态机，例如 if state S0 { ifT0转移条件满足 {状态转移到满足T0条件的次态；操作；} else ifT1转移条件满足 { 状态转移到满足T1条件的次态；操作；}else ifTN转移条件满足 { 状态转移到满足TN條件的次态；操作；}} if state S1 {//插入离开该状态的条件语句 //插入要转移的次态 //插入S1状态的操作语句 } if state SN {//插入离开该状态的条件语句 //插入要转移的次态 //插入SN狀态的操作语句 }单片机 状态机技术基础教程与实践9.2.2 描述状态机的完整C程序格式include 数码管的译码表格设置定时器的定时变量设置状态变量设置其他全局变量主程序{ 局部变量初始化定时器初始化语句中断允许语句主程序无限循环中{（1）输入信号处理语句获得所有的输入信号状态单爿机 状态机技术基础教程与实践（2）状态机描述语句主要是描述状态转移、转移条件、定时变量清零等该状态下的输出语句显示该状态的發光二极管（不是必须的用于调试）（3）显示处理语句将定时数据送到数码管显示（不是必须的，用于调试）（4）其他语句（5）若是在狀态描述语句中没有描述输出可单独将各个状态下的输出描述定时器中断服务程序中{设置静态局部变量根据定时器工作模式确定是否设置初值，若是需要精确定时选择不需要预置初值的工作方式 2每中断一次就增加数值的语句，获得确定的中断时间（例如1s）按照确定的Φ断时间，增加定时变量}单片机 状态机技术基础教程与实践9.3 示例程序 在状态机描述中除了直接描述状态机的语句外，还需要按键（钮）輸入语句、定时 器描述等语句本节通过示例对按键、定时等的C描述给予介绍。[示例程序1] 按键处理程序P3口全部连接按键，P0口连接的数码管显示按键的值程序中变量kk是按键的值，不同的按 按键控制定时时间的程序（定时器0工作在方式2）按键值kk不同，则t0值的循环周期不同因此可以通过kk改变t0，进而改变与t0相关的周期长 度 变量说明变量说明nn主函数内延时时间循环变量kk按键值t0随定时器中断次数递增变量nn局部靜态变量，随定时器中断次数增加table[]共阳数码管译码表单片机 状态机技术基础教程与实践源程序如下include “AT89X51.h“unsigned