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[学习资料] 什么是状态机？怎么设计MCU状态机

news 2026/7/11 3:59:49

1、什么是状态机？

状态机(State Machine, SM)，也称为有限状态机（Finite State Machine, FSM），是嵌入式系统软件设计中一种非常重要的用来描述一个系统的行为模型和编程模式。

状态机由一组状态、一组输入事件和一组转换规则组成，系统在任何时刻都处于一种状态，当输入事件发生时，根据当前状态和转换规则，系统可能会转移到另一种状态。

因此，状态机主要包括以下几个基本要素：

状态(State):系统所处的不同模式或阶段，一个状态机至少要包含两个状态；

事件(Event):触发状态转换的条件或输入；

转换(Transition): 从一个状态到另一个状态的变化；

动作(Action):状态转换时执行的操作。

状态机广泛应用于嵌入式系统软件设计中，特别是在需要明确不同状态行为和事件处理的应用场景，包括协议开发、系统界面启动和按键操作等等。

所以，通过使用状态机，开发者可以更容易地构建出可靠、易维护且高效的嵌入式软件系统。

2、怎么设计MCU状态机？

状态机的特性非常适合用于MCU(微控制器)的程序设计，因此接下来作者就通过实际代码向大家阐述一下如何设计MCU状态机。

状态机设计的一般步骤如下所示：

先明确系统状态：

你首先需要分析和明确系统需要哪些状态，常见的但不仅限于以下状态：

初始化状态(INIT)

空闲状态(IDLE)

等待状态(WAIT)

运行状态(RUN)

错误状态(ERROR)

休眠状态(SLEEP)

写状态(WRITE)

读状态(READ)

……

再定义状态转换条件：

当触发什么事件时进行状态切换，常见的但不仅限于以下事件：

定时器超时

外部中断

数据接收完成

等待超时

延时时间到

计数器计数值到

错误、报警和故障发生

……

最后选择状态机实现方式：

常见的MCU状态机实现方式主要包括两种：

第一种方式：switch-case结构

这种方式应该是大家比较熟悉的一种吧，一般在头文件里面通过宏定义或者枚举方式定义好需要的状态机值，然后在源文件里用switch-case结构实现状态机的代码逻辑，示例代码如下：

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//header file
/*types of master commands*/
#define FALLBACK 0x5A
#define MASTERIDENT 0x95
#define DEVICEIDENT 0x96
#define DEVICE_STARTUP 0x97
#define PD_OUTOUT_OPERATE 0x98
#define DEVICE_OPERATE 0x99
#define DEVICE_PREOPERATE 0x9A
//source file
switch(slave_state)
{
caseFALLBACK:
{
//to add your code
break;
}
caseMASTERIDENT:
{
break;
}
caseDEVICEIDENT:
{
break;
}
caseDEVICE_STARTUP:
{
break;
}
casePD_OUTOUT_OPERATE:
{
break;
}
caseDEVICE_PREOPERATE:
{
break;
}
caseDEVICE_OPERATE:
{
break;
}
default:
{
break;
}
}

这种结构实现的状态机代码看上去比较简单明了易懂，但是如果状态机数量比较多的话，代码看上去就比较臃肿和繁琐。此时，你就可以考虑使用第二种方式来实现状态机。

第二种方式：状态表驱动结构

表驱动方法是一种让你可以在表中查找信息，而不必使用很多的逻辑语句（if-else或switch-case）来把它们找出来的方法。在简单的情况下，逻辑语句确实更简单更直接，但是随着逻辑链的复杂，表驱动法就变得越来越富有吸引力了。21ic论坛上也有专门介绍表驱动法的比较好的文章，比如链接https://bbs.21ic.com/icview-3441826-1-1.html。

那到底怎么用表驱动法实现状态机代码呢？请看代码结构：

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