单片机现在可谓是铺天盖地，种类繁多，让开发者们应接不暇，发展也是相当的迅速，从上世纪80年代，由当时的4位8位发展到现在的各种高速单片机……

各个厂商们也在速度、内存、功能上此起彼伏，参差不齐~~同时涌现出一大批拥有代表性单片机的厂商：Atmel、TI、ST、MicroChip、ARM…国内的宏晶STC单片机也是可圈可点…

下面为大家带来51、MSP430、TMS、STM32、PIC、AVR、STC单片机之间的优缺点比较及功能体现……

51单片机

应用最广泛的8位单片机当然也是初学者们最容易上手学习的单片机，最早由Intel推出，由于其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能及面向控制的丰富的指令系统，堪称为一代“经典”，为以后的其它单片机的发展奠定了基础。

51单片机之所以成为经典，成为易上手的单片机主要有以下特点：

特性：

1. 从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，处理对象不是字或字节而是位。不但能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。

2. 同时在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，使用极为灵活，这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，

3. 乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。

缺点：(虽然是经典但是缺点还是很明显的)

1. AD、EEPROM等功能需要靠扩展，增加了硬件和软件负担

2. 虽然I/O脚使用简单，但高电平时无输出能力，这也是51系列单片机的最大软肋

3. 运行速度过慢，特别是双数据指针，如能改进能给编程带来很大的便利

4. 51保护能力很差，很容易烧坏芯片

应用范围：

目前在教学场合和对性能要求不高的场合大量被采用

使用最多的器件：8051、80C51

MSP430单片机

MSP430系列单片机是德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器，给人们留下的最大的亮点是低功耗而且速度快，汇编语言用起来很灵活，寻址方式很多，指令很少，容易上手。主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。其迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点…

特性：

1. 强大的处理能力，采用了精简指令集(RISC)结构，具有丰富的寻址方式( 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址)、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令;有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序

2. 在运算速度方面，能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。 16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器(能实现乘加)相配合，能实现数字信号处理的某些算法(如 FFT 等)

3. 超低功耗方面，MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。电源电压采用的是 1.8~3.6V 电压。因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时， 芯片的电流会在 200~400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA

缺点：

1. 个人感觉不容易上手，不适合初学者入门，资料也比较少，只能跑官网去找

2. 占的指令空间较大，因为是16位单片机，程序以字为单位，有的指令竟然占6个字节。虽然程序表面上简洁， 但与pic单片机比较空间占用很大

应用范围：

在低功耗及超低功耗的工业场合应用的比较多

使用最多的器件：MSP430F系列、MSP430G2系列、MSP430L09系列

TMS单片机

这里也提一下TMS系列单片机，虽不算主流。由TI推出的8位CMOS单片机，具有多种存储模式、多种外围接口模式，适用于复杂的实时控制场合。虽然没STM32那么优秀，也没MSP430那么张扬，但是TMS370C系列单片机提供了通过整合先进的外围功能模块及各种芯片的内存配置，具有高性价比的实时系统控制。同时采用高性能硅栅CMOS EPROM和EEPROM技术实现。低工作功耗CMOS技术，宽工作温度范围，噪声抑制，再加上高性能和丰富的片上外设功能，使TMS370C系列单片机在汽车电子，工业电机控制，电脑，通信和消费类具有一定的应用。

STM32单片机

由ST厂商推出的STM32系列单片机，行业的朋友都知道，这是一款性价比超高的系列单片机，应该没有之一，功能及其强大。其基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M内核，同时具有一流的外设：1μs的双12位ADC，4兆位/秒的UART，18兆位/秒的SPI等等，在功耗和集成度方面也有不俗的表现，当然和MSP430的功耗比起来是稍微逊色的一些，但这并不影响工程师们对它的热捧程度，由于其简单的结构和易用的工具再配合其强大的功能在行业中赫赫有名…其强大的功能主要表现在：

特性：

1.内核：ARM32位Cortex-M3CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz，单周期乘法和硬件除法

2.存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-64KB的SRAM存储器

3.时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器(PVD)。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振

4、调试模式：串行调试(SWD)和JTAG接口。最多高达112个的快速I/O端口、最多多达11个定时器、最多多达13个通信接口

使用最多的器件：STM32F103系列、STM32 L1系列、STM32W系列。

PIC单片机

PIC单片机系列是美国微芯公司(Microship)的产品，共分三个级别，即基本级、中级、高级，是当前市场份额增长最快的单片机之一，CPU采用RISC结构，分别有33、35、58条指令，属精简指令集，同时采用Harvard双总线结构，运行速度快，它能使程序存储器的访问和数据存储器的访问并行处理，这种指令流水线结构，在一个周期内完成两部分工作，一是执行指令，二是从程序存储器取出下一条指令，这样总的看来每条指令只需一个周期，这也是高效率运行的原因之一，此外PIC单片机之所以成为一时非常热的单片机不外乎以下特点：

特点：

1. 具有低工作电压、低功耗、驱动能力强等特点。PIC系列单片机的I/O口是双向的，其输出电路为CMOS互补推挽输出电路。I/O脚增加了用于设置输入或输出状态的方向寄存器，从而解决了51系列I/O脚为高电平时同为输入和输出的状态。

2. 当置位1时为输入状态，且不管该脚呈高电平或低电平，对外均呈高阻状态;置位0时为输出状态，不管该脚为何种电平，均呈低阻状态，有相当的驱动能力，低电平吸入电流达25mA，高电平输出电流可达20mA。相对于51系列而言，这是一个很大的优点

3. 它可以直接驱动数码管显示且外电路简单。它的A/D为10位，能满足精度要求。具有在线调试及编程(ISP)功能。

不足之处：

其专用寄存器(SFR)并不像51系列那样都集中在一个固定的地址区间内(80～FFH)，而是分散在四个地址区间内。只有5个专用寄存器PCL、STATUS、FSR、PCLATH、INTCON在4个存储体内同时出现，但是在编程过程中，少不了要与专用寄存器打交道，得反复地选择对应的存储体，也即对状态寄存器STATUS的第6位(RP1)和第5位(RP0)置位或清零。数据的传送和逻辑运算基本上都得通过工作寄存器W(相当于51系列的累加器A)来进行，而51系列的还可以通过寄存器相互之间直接传送，因而PIC单片机的瓶颈现象比51系列还要严重，这在编程中的朋友应该深有体会

使用最多的器件：PIC16F873、PIC16F877

AVR单片机

AVR单片机是Atmel公司推出的较为新颖的单片机，其显著的特点为高性能、高速度、低功耗。它取消机器周期，以时钟周期为指令周期，实行流水作业。AVR单片机指令以字为单位，且大部分指令都为单周期指令。而单周期既可执行本指令功能，同时完成下一条指令的读取。通常时钟频率用4～8MHz，故最短指令执行时间为250～125ns。AVR单片机能成为最近仍是比较火热的单片机，主要的特点：

特点：

1. AVR系列没有类似累加器A的结构，它主要是通过R16～R31寄存器来实现A的功能。在AVR中，没有像51系列的数据指针DPTR，而是由X(由R26、R27组成)、Y(由R28、R29组成)、Z(由R30、R31组成)三个16位的寄存器来完成数据指针的功能(相当于有三组DPTR)，而且还能作后增量或先减量等的运行，而在51系列中，所有的逻辑运算都必须在A中进行;而AVR却可以在任两个寄存器之间进行，省去了在A中的来回折腾，这些都比51系列出色些

2. AVR的专用寄存器集中在00～3F地址区间，无需像PIC那样得先进行选存储体的过程，使用起来比PIC方便。AVR的片内RAM的地址区间为0～00DF(AT90S2313) 和0060～025F(AT90S8515、AT90S8535)，它们占用的是数据空间的地址，这些片内RAM仅仅是用来存储数据的，通常不具备通用寄存器的功能。当程序复杂时，通用寄存器R0～R31就显得不够用;而51系列的通用寄存器多达128个(为AVR的4倍)，编程时就不会有这种感觉。

3. AVR的I/O脚类似PIC，它也有用来控制输入或输出的方向寄存器，在输出状态下，高电平输出的电流在10mA左右，低电平吸入电流20mA。这点虽不如PIC，但比51系列还是要优秀的…

缺点：

1. 是没有位操作，都是以字节形式来控制和判断相关寄存器位的

2. C语言与51的C语言在写法上存在很大的差异，这让从开始学习51单片机的朋友很不习惯

3. 通用寄存器一共32个(R0～R31)，前16个寄存器(R0～R15)都不能直接与立即数打交道，因而通用性有所下降。而在51系列中，它所有的通用寄存器(地址00～7FH)均可以直接与立即数打交道，显然要优于前者。

使用最多的器件：ATUC64L3U、ATxmega64A1U、AT90S8515

STC单片机

说到STC单片机有人会说到，STC也能算主流，估计要被喷了~~我们基于它是国内还算是比较不错的单片机来说。STC单片机是宏晶生产的单时钟/机器周期的单片机，说白了STC单片机是51与AVR的结合体，有人说AVR是51的替代单片机，但是AVR单片机在位控制和C语言写法上存在很大的差异。而STC单片机洽洽结合了51和AVR的优点，虽然功能不及AVR那么强大，但是在AVR能找到的功能，在STC上基本都有，同时STC单片机是51内核，这给以51单片机为基础的工程师们提供了极大的方便，省去了学习AVR的时间，同时也不失AVR的各种功能…

STC单片机是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机51单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8~12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM 8路高速10位A、D转换，针对电机电机 的供应商控制，强干扰场合，成为继51单片机后一个全新系列单片机…

特性：

1. 下载烧录程序用串口方便好用，容易上手，拥有大量的学习资料及视频，最著名的要属于杜老师的那个视频了，好多对单片机有兴趣的朋友都是通过这个视频入门的，同时具有宽电压：5.5～3.8V，2.4～3.8V， 低功耗设计：空闲模式，掉电模式(可由外部中断唤醒)

2. STC单片机具有在应用编程，调试起来比较方便;带有10位AD、内部EEPROM、
可在1T/机器周期下工作，速度是传统51单片机的8~12倍，价格也较便宜

3. 4 通道捕获/比较单元，STC12C2052AD系列为2通道，也可用来再实现4个定时器或4个外部中断，2个硬件16位定时器，兼容普通8051的定时器。4路PCA还可再实现4个定时器，具有硬件看门狗、高速SPI通信端口、全双工异步串行口，兼容普通8051的串口，同时还具有先进的指令集结构，兼容普通8051指令集

PS：STC单片机功能虽不及AVR、STM32强大，价格也不及51和ST32便宜，但是这些并并不重要，重要的是这属于国产单片机比较出色的单片机，但愿国产单片机能一路长虹…

使用最多的器件：STC12C2052AD

Freescale单片机

主要针对S08，S12这类单片机，当然Freescale单片机远非于此。Freescale系列单片机采用哈佛结构和流水线指令结构，在许多领域内都表现出低成本，高性能的的特点，它的体系结构为产品的开发节省了大量时间。此外Freescale提供了多种集成模块和总线接口，可以在不同的系统中更灵活的发挥作用!Freescale单片机的特有的特点如下：

1.全系列：从低端到高端，从8位到32位全系列应有尽有，其推出的8位/32位管脚兼容的QE128，可以从8位直接移植到32位，弥补单片机业界8/32 位兼容架构中缺失的一环

2.多种系统时钟模块：三种模块，七种工作模式。多种时钟源输入选项，不同的mcu具有不同的时钟产生机制，可以是RC振荡器，外部时钟或晶振，也可以是内部时钟，多数CPU同时具有上述三种模块!可以运行在FEI，FEE，FBI，FBILP，FBE，FBELP，STOP这七种工作模式

3.多种通讯模块接口：Freescale单片机几乎在内部集成各种通信接口模块：包括串行通信接口模块SCI，多主I2C总线模块，串行外围接口模块 SPI，MSCAN08控制器模块，通用串行总线模块(USB/PS2)

4.具有更多的可选模块：具有LCD驱动模块，带有温度传感器，具有超高频发送模块，含有同步处理器模块，含有同步处理器的MCU还具有屏幕显示模块OSD，还有少数的MCU具有响铃检测模块RING和双音多频/音调发生器DMG模块

5.可靠性高，抗干扰性强，多种引脚数和封装选择

6.低功耗、也许Freescale系列的单片机的功耗没有MSP430的低，但是他具有全静态的“等待”和“停止”两种模式，从总体上降低您的功耗!新近推出的几款超低功耗已经与MSP430的不相上下!

使用最多的器件：MC9S12G系列

如果真要在这些单片机中分个一二三等，那么如果你想跟随大众，无可厚非51单片机还是首选;如果你追求超高性价比，STM32将是你理想选择;如果你渴望超低功耗，MSP430肯定不会让你失望;如果你想支持国产，STC会让你兴奋

单片机(MCU)一般都有内部EEPROM/FLASH供用户存放程序和工作数据。什么叫单片机解密呢?如果要非法读出里的程式，就必需解开这个密码才能读出来，这个过程通常称为单片机解密或芯片加密。

为了防止未经授权访问或拷贝单片机的机内程序，大部分单片机都带有加密锁定位或者加密字节，以保护片内程序;如果在编程时加密锁定位被使能(锁定)，就无法用普通编程器直接读取单片机内的程序，单片机攻击者借助专用设备或者自制设备，利用单片机芯片设计上的漏洞或软件缺陷，通过多种技术手段，就可以从芯片中提取关键信息，获取单片机内程序这就叫单片机解密。大部分单片机程式写进单片机后，工程师们为了防止他人非法盗用，所以给加密，以防他人读出里面的程式。

单片机加解密可划分为两大类，一类是硬件加解密，一类是软件加解密。硬件加密，对于单片机来说，一般是单片机厂商将加密熔丝固化在IC内，熔丝有加密状态及不加密状态，如果处于加密状态，一般的工具是读取不了IC里面的程序内容的，要读取其内容，这就涉及到硬件解密，必须有专业的硬件解密工具及专业的工程师。

其实任何一款单片机从理论上讲，攻击者均可利用足够的投资和时间使用以上方法来攻破。这是系统设计者应该始终牢记的基本原则，因此，作为电子产品的设计工程师非常有必要了解当前单片机攻击的最新技术，做到知己知彼，心中有数，才能有效防止自己花费大量金钱和时间辛辛苦苦设计出来的产品被人家一夜之间仿冒的事情发生。

众所周知，目前凡是涉及到单片机解密的领域一般都是进行产品复制的，真正用来做研究学习的，不能说没有，但是相当罕见。所以，想破解单片机解密芯片破解，就得知道单片机解密芯片破解的原理。

三极管在数字电路里的开关特性，最常见的应用有 2 个：一个是控制应用，一个是驱动应用。所谓的控制就是如图 3-7 里边介绍的，我们可以通过单片机控制三极管的基极来间接控制后边的小灯的亮灭，用法大家基本熟悉了。还有一个控制就是进行不同电压之间的转换控制，比如我们的单片机是 5V 系统，它现在要跟一个 12V 的系统对接，如果 IO 直接接 12V电压就会烧坏单片机，所以我们加一个三极管，三极管的工作电压高于单片机的 IO 口电压，用 5V 的 IO 口来控制 12V 的电路，如图 3-8 所示。

图 3-8 中，当 IO 口输出高电平 5V 时，三极管导通，OUT 输出低电平 0V，当 IO 口输出低电平时，三极管截止，OUT 则由于上拉电阻 R2 的作用而输出 12V 的高电平，这样就实现了低电压控制高电压的工作原理。

所谓的驱动，主要是指电流输出能力。我们再来看如图 3-9 中两个电路之间的对比。

图 3-9 中上边的 LED 灯，和我们第二课讲过的 LED 灯是一样的，当 IO 口是高电平时，小灯熄灭，当 IO 口是低电平时，小灯点亮。那么下边的电路呢，按照这种推理，IO 口是高电平的时候，应该有电流流过并且点亮小灯，但实际上却并非这么简单。

单片机主要是个控制器件，具备四两拨千斤的特点。就如同杠杆必须有一个支点一样，想要撑起整个地球必须有力量承受的支点。单片机的 IO 口可以输出一个高电平，但是他的输出电流却很有限，普通 IO 口输出高电平的时候，大概只有几十到几百 uA 的电流，达不到1mA，也就点不亮这个 LED 小灯或者是亮度很低，这个时候如果我们想用高电平点亮 LED，就可以用上三极管来处理了，我们板上的这种三极管型号，可以通过 500mA 的电流，有的三极管通过的电流还更大一些，如图 3-10 所示。

图 3-10 中，当 IO 口是高电平，三极管导通，因为三极管的电流放大作用，c 极电流就可以达到 mA 以上了，就可以成功点亮 LED 小灯。

虽然我们用了 IO 口的低电平可以直接点亮 LED，但是单片机的 IO 口作为低电平，输入电流就可以很大吗？这个我想大家都能猜出来，当然不可以。单片机的 IO 口电流承受能力，不同型号不完全一样，就 STC89C52 来说，官方手册的 81 页有对电气特性的介绍，整个单片机的工作电流，不要超过 50mA，单个 IO 口总电流不要超过 6mA。即使一些增强型 51 的IO 口承受电流大一点，可以到 25mA，但是还要受到总电流 50mA 的限制。那我们来看电路图的 8 个 LED 小灯这部分电路，如图 3-11 所示。

这里我们要学会看电路图的一个知识点，电路图右侧所有的 LED 下侧的线最终都连到一根黑色的粗线上去了，大家注意，这个地方不是实际的完全连到一起，而是一种总线的画法，画了这种线以后，表示这是个总线结构。而所有的名字一样的节点是一一对应的连接到一起，其他名字不一样的，是不连在一起的。比如左侧的 DB0 和右侧的最右边的 LED2 小灯下边的DB0 是连在一起的，而和 DB1 等其他线不是连在一起的。

那么我们把图 3-11 中现在需要讲解的这部分单独摘出来看，如图 3-12 所示。

现在我们通过 3-12 的电路图来计算一下，5V 的电压减去 LED 本身的压降，减掉三极管e 和 c 之间的压降，限流电阻用的是 330 欧，那么每条支路的电流大概是 8mA，那么 8 路 LED如果全部同时点亮的话电流总和就是 64mA。这样如果直接接到单片机的 IO 口，那单片机肯定是承受不了的，即使短时间可以承受，长时间工作就会不稳定，甚至导致单片机烧毁。

有的同学会提出来可以加大限流电阻的方式来降低这个电流。比如改到 1K，那么电流不到 3mA，8 路总的电流就是 20mA 左右。首先，降低电流会导致 LED 小灯亮度变暗，小灯的亮度可能关系还不大，但因为我们同样的电路接了数码管，后边我们要讲数码管还要动态显示，如果数码管亮度不够的话，那视觉效果就会很差，所以降低电流的方法并不可取。其次，对于单片机来说，他主要是起到控制作用，电流输入和输出的能力相对较弱，P0 的 8 个口总电流也有一定限制，所以如果接一两个 LED 小灯观察，可以勉强直接用单片机的 IO 口来接，但是接多个小灯，从实际工程的角度去考虑，就不推荐直接接 IO 口了。那么我们如果要用单片机控制多个 LED 小灯该怎么办呢？

除了三极管之外，其实还有一些驱动 IC，这些驱动 IC 可以作为单片机的缓冲器，仅仅是电流驱动缓冲，不起到任何逻辑控制的效果，比如我们板子上用的 74HC245 这个芯片，这个芯片在逻辑上起不到什么别的作用，就是当做电流缓冲器的，我们通过查看其数据手册，74HC245 稳定工作在 70mA 电流是没有问题的，比单片机的 8 个 IO 口大多了，所以我们可以把他接在小灯和 IO 口之间做缓冲，如图 3-13 所示。

从图 3-13 我们来分析，其中 VCC 和 GND 就不用多说了，细心的同学会发现这里有个0.1uF 的去耦电容哦。

74HC245 是个双向缓冲器，1 引脚 DIR 是方向引脚，当这个引脚接高电平的时候，右侧所有的 B 编号的电压都等于左侧 A 编号对应的电压。比如 A1 是高电平，那么 B1 就是高电平，A2 是低电平，B2 就是低电平等等。如果 DIR 引脚接低电平，得到的效果是左侧 A 编号的电压都会等于右侧 B 编号对应的电压。因为我们这个地方控制端是左侧接的是 P0 口，我们要求 B 等于 A 的状态，所以 1 脚我们直接接的 5V 电源，即高电平。图 3-13 中还有一排电阻 R10 到 R17 是上拉电阻，这个电阻的用法我们在后边介绍。

还有最后一个使能引脚 19 脚 OE，叫做输出使能，这个引脚上边有一横，表明是低电平有效，当接了低电平后，74HC245 就会按照刚才上边说的起到双向缓冲器的作用，如果 OE接了高电平，那么无论 DIR 怎么接，A 和 B 的引脚是没有关系的，也就是 74HC245 功能不能实现出来。

从下面的图 3-14 可以看出来，单片机的 P0 口和 74HC245 的 A 端是直接接起来的。这个地方，有个别同学有个疑问，就是我们明明在电源 VCC 那地方加了一个三极管驱动了，为何还要再加 245 驱动芯片呢。这里大家要理解一个道理，电路上从正极经过器件到地，首先必须有电流才能正常工作，电路中任何一个位置断开，都不会有电流，器件也就不会参与工作了。其次，和水流一个道理，从电源正极到负极的电流水管的粗细都要满足要求，任何一个位置的管子过细，都会出现瓶颈效应，电流在整个通路中细管处会受到限制而降低，所以在电路通路的每个位置上，都要保证通道足够畅通，这个 74HC245 的作用就是消除单片机IO 这一环节的瓶颈。

来源：电子工程世界

状态机的概念

状态机是软件编程中的一个重要概念。比这个概念更重要的是对它的灵活应用。在一个思路清晰而且高效的程序中，必然有状态机的身影浮现。

比如说一个按键命令解析程序，就可以被看做状态机：本来在A状态下，触发一个按键后切换到了B状态；再触发另一个键后切换到C状态，或者返回到A状态。这就是最简单的按键状态机例子。实际的按键解析程序会比这更复杂些，但这不影响我们对状态机的认识。

进一步看，击键动作本身也可以看做一个状态机。一个细小的击键动作包含了：释放、抖动、闭合、抖动和重新释放等状态。

同样，一个串行通信的时序（不管它是遵循何种协议，标准串口也好、I2C也好；也不管它是有线的、还是红外的、无线的）也都可以看做由一系列有限的状态构成。

显示扫描程序也是状态机；通信命令解析程序也是状态机；甚至连继电器的吸合/释放控制、发光管（LED）的亮/灭控制又何尝不是个状态机。

当我们打开思路，把状态机作为一种思想导入到程序中去时，就会找到解决问题的一条有效的捷径。有时候用状态机的思维去思考程序该干什么，比用控制流程的思维去思考，可能会更有效。这样一来状态机便有了更实际的功用。
程序其实就是状态机。

也许你还不理解上面这句话。请想想看，计算机的大厦不就是建立在“0”和“1”两个基本状态的地基之上么？

状态机的要素

状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。这样的归纳，主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。详解如下：
① 现态：是指当前所处的状态。
② 条件：又称为“事件”。当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。
③ 动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。
④ 次态：条件满足后要迁往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。

如果我们进一步归纳，把“现态”和“次态”统一起来，而把“动作”忽略（降格处理），则只剩下两个最关键的要素，即：状态、迁移条件。

状态机的表示方法有许多种，我们可以用文字、图形或表格的形式来表示一个状态机。

纯粹用文字描述是很低效的，所以就不介绍了。接下来先介绍图形的方式。

状态迁移图（STD）

状态迁移图（STD），是一种描述系统的状态、以及相互转化关系的图形方式。状态迁移图的画法有许多种，不过一般都大同小异。我们结合一个例子来说明一下它的画法，如图1所示。

①状态框：用方框表示状态，包括所谓的“现态”和“次态”。
②条件及迁移箭头：用箭头表示状态迁移的方向，并在该箭头上标注触发条件。
③节点圆圈：当多个箭头指向一个状态时，可以用节点符号（小圆圈）连接汇总。
④动作框：用椭圆框表示。
⑤附加条件判断框：用六角菱形框表示。

状态迁移图和我们常见的流程图相比有着本质的区别，具体体现为：在流程图中，箭头代表了程序PC指针的跳转；而在状态迁移图中，箭头代表的是状态的改变。

我们会发现，这种状态迁移图比普通程序流程图更简练、直观、易懂。这正是我们需要达到的目的。

状态迁移表

除了状态迁移图，我们还可以用表格的形式来表示状态之间的关系。这种表一般称为状态迁移表。

表1就是前面介绍的那张状态迁移图的另一种描述形式。

①采用表格方式来描述状态机，优点是可容纳更多的文字信息。例如，我们不但可以在状态迁移表中描述状态的迁移关系，还可以把每个状态的特征描述也包含在内。
②如果表格内容较多，过于臃肿不利于阅读，我们也可以将状态迁移表进行拆分。经过拆分后的表格根据其具体内容，表格名称也有所变化。
③比如，我们可以把状态特征和迁移关系分开列表。被单独拆分出来的描述状态特征的表格，也可以称为“状态真值表”。这其中比较常见的就是把每个状态的显示内容单独列表。这种描述每个状态显示内容的表称之为“显示真值表”。同样，我们把单独表述基于按键的状态迁移表称为“按键功能真值表”。另外，如果每一个状态包含的信息量过多，我们也可以把每个状态单独列表。
④由此可见，状态迁移表作为状态迁移图的有益补充，它的表现形式是灵活的。
⑤状态迁移表优点是信息涵盖面大，缺点是视觉上不够直观，因此它并不能取代状态迁移图。比较理想的是将图形和表格结合应用。用图形展现宏观，用表格说明细节。二者互为参照，相得益彰。

状态机思路实现一个时钟程序

接下来，我将就状态机的应用，结合流程图、状态迁移图和状态迁移，举一个实际例子。下面这张图是一个时钟程序的状态迁移图，如图2所示。

把这张图稍做归纳，就可以得到它的另一种表现形式——状态迁移表，如表2所示。

状态机应用的注意事项

基于状态机的程序调度机制，其应用的难点并不在于对状态机概念的理解，而在于对系统工作状态的合理划分。

初学者往往会把某个“程序动作”当作是一种“状态”来处理。我称之为“伪态”。那么如何区分“动作”和“状态”。本匠人的心得是看二者的本质：“动作”是不稳定的，即使没有条件的触发，“动作”一旦执行完毕就结束了；而“状态”是相对稳定的，如果没有外部条件的触发，一个状态会一直持续下去。

初学者的另一种比较致命的错误，就是在状态划分时漏掉一些状态。我称之为“漏态”。

“伪态”和“漏态”这两种错误的存在，将会导致程序结构的涣散。因此要特别小心避免。

更复杂的状态机

前面介绍的是一种简单的状态结构。它只有一级，并且只有一维，如图3所示。

如果有必要，我们可以建立更复杂的状态机模型。

(1)多级状态结构

状态机可以是多级的。在分层的多级状态机系统里面，一个“父状态”下可以划分多个“子状态”，这些子状态共同拥有上级父状态的某些共性，同时又各自拥有自己的一些个性。

在某些状态下，还可以进一步划分子状态。比如，我们可以把前面的时钟例子修改如下：

把所有和时钟功能有关的状态，合并成1个一级状态。在这个状态下，又可以划分出3个二级子状态，分别为显示时间、设置小时、设置分钟；

同样，我们也可以把所有和闹钟功能有关的状态，合并成1个一级状态。在这个状态下，再划分出4个二级子状态，分别为显示闹钟、设置“时”、设置“分”、设置鸣叫时间。

我们需要用另一个状态变量（寄存器）来表示这些子状态。

子状态下面当然还可以有更低一级的孙状态（子子孙孙无穷尽也），从而将整个状态体系变成了树状多级状态结构，如图4所示。

(2)多维状态结构

状态结构也可以是多维的。从不同的角度对系统进行状态的划分，这些状态的某些特性是交叉的。比如，在按照按键和显示划分状态的同时，又按照系统的工作进程做出另一种状态划分。这两种状态划分同时存在，相互交叉，从而构成了二维的状态结构空间。

举一个这方面的例子，如：空调遥控器，如图5所示。

同样，我们也可以构建三维、四维甚至更多维的状态结构。每一维的状态都需要用一个状态变量（寄存器）来表示。

无论多级状态结构和多维状态结构看上去多么迷人，匠人的忠告是：我们依然要尽可能地简化状态结构，能用单级、单维的结构，就不要给自己找事，去玩那噩梦般的复杂结构。

简单的才是最有效的。