第五章状态机(排2).

状态机图1.概述状态机图（State Machine Diagram）是用来显示状态机的图，包括简单状态、转换和嵌套的复合状态等，一个典型的状态机图如图1所示：图1. 状态机图2.基本表示符号状态机图的基本元素包括：状态、转移、事件、伪状态和复合状态。

2.1状态（State）状态是对象生命周期中的一个条件或形态。

状态由对象的属性值、与其他对象的关系以及正在执行的活动来确定。

在UML中，状态用圆角矩形和状态名表示，初始状态用实心圆表示，终止状态用牛眼表示，如图2所示：图2. 状态状态可以有一个或多个分栏，这些分栏是可选的，包括名称分栏、嵌套区域、内部转换分栏等，如图3所示：图3. 带分栏的状态状态也可用圆角矩形上带有状态名称标签的方框表示，如图4所示：图4. 带有名称标签符号的状态2.2转移（Transaction）转移表示状态之间可能的路径，可以表示外部转换（用箭头表示），也可以表示内部转换（嵌套在状态内部）。

如图5所示：图5. 转移2.3事件（Event）事件是对，在特定时间和空间上，所发生的有意义的事情。

在状态机中，事件触发转移，事件或者显示在转换之上，或显示在状态以内。

共有四种类型的事件：信号事件、调用事件、时间事件、改变事件。

信号用于对象间异步传递的信息包，它没有任何操作，只有自身携带的信息。

信号事件是通过信号来触发的事件，在UML中，信号如图6所示：图6. 信号调用事件是请求在类语境的实例上调用特定的操作，在UML中，调用事件如图7所示：图7. 调用事件时间事件用关键字after表示，说明事件被触发的临界时间。

改变事件用关键字when表示，说明将事件改变所满足的条件。

如图8所示：图8. 时间事件和改变事件2.4伪状态（Pseudo State）伪状态指在一个状态机中具有状态的形式，同时具有特殊行为的顶点。

它是一个瞬时状态，用于构造转换的细节。

当伪状态处于活动时，状态机还没有完成从运行到完成的步骤，也不会处理事件。

Digital System Design12011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology大部分数字系统都可以划分为控制单元和数据单元（存储单元）两个组成部分，通常，控制单元的主体是一个状态机，它接收外部信号以及数据单元产生的状态信息，产生控制信号序列。

Digital System Design22011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology有限状态机特别适合描述那些发生有先后顺序或者有逻辑规律的事情（其实这就是状态机的本质）。

状态机的本质就是对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法，即“逻辑顺序”和“时序规律”就是状态机所要描述的核心和强项，换言之，所有具有逻辑顺序和时序规律的事情都适合用状态机来描述。

Digital System Design32011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology1、基本概念有限状态机（Finite State Machine ，FSM ）是表示实现有限个离散状态及其状态之间的转移等行为动作的数学模型。

（关注Matlab 的Stateflow ）（1）状态：也叫状态变量。

在逻辑设计中，使用状态划分逻辑顺序和时序规律。

状态名称、状态编码、进入/退出操作、内部转移、子状态、延迟事件Digital System Design42011/6/21Computer Faculty of Guangdong University of Technology（2）转移：指两个状态之间的关系，表示当发生指定事件且满足指定条件时，第一个状态中的对象将执行某些操作并进入第二个状态，即“触发”了转移。

将触发转移之前的状态定义为“源”状态（初始状态），而触发转移之后的状态定义为“目标”状态（次态）。

状态机相关知识点状态机是一种用于描述系统行为的模型，它可以帮助我们理解和设计复杂的系统。

在计算机科学中，状态机通常用于描述程序或系统的行为，并且在编程中有广泛的应用。

下面是一些状态机相关的知识点：1. 状态状态是指一个系统或程序所处的特定情况或条件。

在状态机中，状态通常表示为一个节点或圆圈，并且每个节点都代表了一个系统可能处于的特定状态。

例如，在一个游戏中，可能有“等待玩家输入”、“执行操作”和“游戏结束”等不同的状态。

2. 转移转移是指从一个状态到另一个状态的过程。

在状态机中，转移通常表示为一条箭头，并且每个箭头都代表了从一个状态到另一个状态的可能转移。

例如，在一个游戏中，当玩家输入命令时，可能会从“等待玩家输入”转移到“执行操作”状态。

3. 事件事件是指触发系统或程序从当前状态转移到下一个状态所需的条件或动作。

在状态机中，事件通常表示为与箭头相连的标签，并且每个标签都代表了触发该转移所需满足的条件或动作。

例如，在一个游戏中，当玩家按下按钮时，可能会触发从“等待玩家输入”到“执行操作”状态的转移。

4. 动作动作是指在状态转移过程中需要执行的操作或行为。

在状态机中，动作通常表示为与箭头相连的代码，并且每个代码都代表了在该转移发生时需要执行的操作或行为。

例如，在一个游戏中，当玩家输入命令时，可能会触发从“等待玩家输入”到“执行操作”状态的转移，并且需要执行相应的命令处理代码。

5. 状态机类型根据状态机的特性和使用场景，可以将状态机分为不同类型。

其中最常见的三种类型是：有限状态自动机（FSM）、层次状态机（HSM）和决策状态机（DSM）。

- 有限状态自动机是一种最基本的状态机模型，它由一组有限数量的状态和一组转移条件组成。

FSM通常用于描述简单系统或程序。

- 层次状态机是一种更复杂的模型，它允许将系统或程序分解成多个层次，并且每个层次都有自己的子状态和转移条件。

HSM通常用于描述复杂系统或程序。

- 决策状态机是一种可以根据输入条件进行决策并选择不同路径的模型。

状态机编程思路及方法状态机是一种常用的编程思路和方法，用于描述系统或对象在不同状态下的行为和转换。

它可以帮助开发人员更好地理解和设计复杂的系统，并在实际应用中提高代码的可读性和可维护性。

本文将介绍状态机的基本概念、应用场景以及实现方法，并通过示例代码来说明其具体应用。

一、状态机的基本概念状态机，又称有限状态机（Finite State Machine，FSM），是一种计算模型，用于描述系统或对象的状态和状态之间的转换。

它由一组状态、一组转换规则和一个初始状态组成。

1. 状态（State）：状态是系统或对象的某种特定情况或属性，可以是一个离散的值或一个更复杂的数据结构。

在状态机中，状态用于描述系统或对象所处的不同状态，例如开机、关机、运行等。

2. 转换（Transition）：转换是状态之间的切换过程。

它可以由外部事件触发，也可以由内部条件满足时自动触发。

转换可以是简单的一对一关系，也可以是复杂的多对多关系。

在状态机中，转换规则定义了从一个状态到另一个状态的条件和操作。

3. 初始状态（Initial State）：初始状态是系统或对象的初始状态。

在状态机中，初始状态是状态机开始执行时所处的状态。

二、状态机的应用场景状态机广泛应用于各个领域的软件开发中，特别是在需要处理复杂逻辑和状态转换的场景下。

以下是一些常见的应用场景：1. 交通信号灯控制：交通信号灯的状态可以有红灯、黄灯和绿灯，它们之间的转换规则由交通规则和时间控制。

2. 游戏角色行为控制：游戏角色的行为可以有站立、行走、跳跃等，它们之间的转换规则由玩家输入和游戏逻辑控制。

3. 订单状态管理：订单的状态可以有待支付、已支付、待发货、已发货等，它们之间的转换规则由用户行为和系统逻辑控制。

4. 业务流程管理：业务流程的状态可以有开始、进行中、暂停、结束等，它们之间的转换规则由业务规则和用户操作控制。

三、状态机的实现方法状态机的实现方法有多种，可以使用面向对象编程、函数式编程或表驱动等方式来描述和实现状态和转换规则。

状态机的基本概念==========状态机，又称为有限状态机（Finite State Machine, FSM），是一种用来描述系统行为的数学模型。

它由一组状态组成，每个状态可以接收一组事件并转换到另一个状态。

状态机在计算机科学、电子工程、自动化等领域都有广泛的应用。

1. 状态定义-------状态是状态机的基本组成部分，代表系统的一个特定状态。

每个状态都有一个唯一的名称，并且可以有一个或多个子状态。

状态可以看作是系统在某一时刻的行为表现。

2. 事件触发-------事件是触发状态转移的条件。

当一个事件被触发时，状态机会从当前状态转换到下一个状态。

事件可以是外部的（例如用户输入、定时器溢出等）或内部的（例如系统内部变量的改变）。

3. 状态转移-------状态转移是状态机的主要行为。

当一个事件被触发时，状态机会从当前状态转换到下一个状态。

状态转移可以是有条件的，也可以是无条件的。

状态转移的定义包括源状态、目标状态和触发事件。

4. 状态条件-------状态条件是决定状态转移的条件。

它通常是一个布尔表达式，当满足条件时，状态机会从当前状态转换到下一个状态。

状态条件可以包含系统内部变量的值、外部输入等。

5. 动作执行-------动作是在状态转移过程中要执行的操作。

它可以是一个函数调用、修改内部变量、输出信息等。

动作是与源状态和目标状态相关联的，它会在状态转移时被执行。

6. 循环控制-------循环控制是指状态机在执行过程中如何处理重复事件。

循环控制机制可以用来实现定时器、计数器等功能。

循环控制可以在状态机内部设置一个计数器，当计数器达到设定值时，状态机会从当前状态转换到下一个状态。

状态机要素
状态机是一种用于描述对象在不同状态下所能接受的事件及状态转移规则的图形化表示工具。

它包含以下要素：
1. 状态（State）：表示对象所处的某种状态，一般用一个矩形表示。

每个状态代表一个具体的状态，比如开启、关闭、暂停、运行等。

2. 事件（Event）：表示触发状态转移的事件，一般用一个箭头表示。

每个事件会导致对象从一个状态转移到另一个状态，比如启动、停止、暂停、恢复等。

3. 状态转移（Transition）：表示从一个状态转移到另一个状态的过程，一般用箭头连接两个状态和事件的标签。

箭头的方向表示转移的方向，标签表示触发转移的事件。

4. 初始状态（Initial State）：表示状态机开始运行时的初始状态，一般用一个空心箭头指向初始状态。

5. 终止状态（Final State）：表示状态机结束时的终止状态，一般用一个圆形表示。

终止状态是状态转移的终点，一旦到达终止状态，状态机即停止运行。

6. 动作（Action）：表示在状态转移过程中执行的动作，一般用在状态转移的箭头上方。

动作可包括输入输出、计算、调用函数等。

通过以上要素的组合和绘制，可以绘制出一个完整的状态机图，用来描述对象在不同状态下的行为和状态转移规则。

状态机图可以帮助开发人员清晰地了解和分析系统的状态变化流程，便于编写代码和进行系统设计。

状态机的实现原理什么是状态机状态机（State Machine）是一种数学模型，用于描述对象在不同状态之间的转移和行为。

它由一组状态（States）、一组事件（Events）和一组转移规则（Transitions）构成。

在计算机科学领域，状态机广泛应用于软件开发、自动化控制和通信协议等领域。

它可以帮助我们建立起清晰而有序的状态转移模型，从而更好地理解和设计复杂系统。

状态机的基本组成在状态机中，我们关注的是对象在不同状态之间的转移和行为。

以下是状态机的基本组成部分：1.状态（States）: 状态是对象所处的条件或形态，可以是具体的值，也可以是抽象的概念。

例如，一个电梯的状态可以是”停止”、“运行”、“故障”等。

2.事件（Events）: 事件是导致状态转移的触发条件或信号。

例如，电梯接收到”开门”、“关门”、“楼层到达”等事件时，会触发相应的状态转移。

3.转移规则（Transitions）: 转移规则定义了对象在不同状态之间的转移条件和行为。

它描述了如果某个事件发生时，对象应该从当前状态转移到哪个新状态。

状态机的分类根据状态机的特性和应用场景，我们可以将其分为以下几种常见的类型：1.有限状态机（Finite State Machine，FSM）: 有限状态机是最基本、最常见的一种状态机。

它具有有限个状态和确定性的转移规则。

有限状态机可以用于描述离散事件系统，例如协议解析、业务流程等。

2.带输出的状态机（Moore Machine）: 带输出的状态机是在每个状态上定义输出行为的状态机。

它可以在每个状态上产生输出，也可以不产生任何输出。

3.带输入输出的状态机（Mealy Machine）: 带输入输出的状态机不仅在每个状态上定义输出，还在每个状态上定义输入条件。

它可以根据输入条件产生输出和状态转移。

状态机的实现原理状态机的实现原理主要包括两个方面：状态转移和事件驱动。

状态转移状态转移是指对象在接收到某个事件时，从当前状态切换到新的状态。

第五讲状态机设计及其指导原则1/ 38第五讲状态机设计及其指导原则1/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学第五讲状态机设计及其指导原则1 状态机是一种设计思想方法2状态机结构3状态机设计的其他技巧4状态机设计步骤第五讲状态机设计及其指导原则2/ 38第五讲状态机设计及其指导原则2/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学z 状态机是一种设计思想方法第五讲状态机设计及其指导原则3/ 38第五讲状态机设计及其指导原则3/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学原语描述module noconditional (clk,nrst,state,event);input clk,nrst input state;output event;reg event;reg [2:0] CS; //CurrentState reg[2:0] NS; //NextStateparameter [2:0] //one hot with zero idleidle = 3’b000,dorm = 3'b001,diningroom = 3'b010,classroom = 3'b100;第五讲状态机设计及其指导原则4/ 38第五讲状态机设计及其指导原则4/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学//sequential state transitionalways @ (posedge clk or negedge nrst)if (!nrst) CS <= idle; else CS <= NS; //combinational condition judgment always @ (nrst or CS)begincase (CS)idle:idle_task;NS = dorm;dorm:dorm_task;NS = diningroom;diningroom:diningroom_task;NS = classroom;classroom:classroom_task;NS = dorm;default:idle_task;NS = dorm;endcase end endmodule第五讲状态机设计及其指导原则5/ 38第五讲状态机设计及其指导原则5/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学第五讲状态机设计及其指导原则6/ 38第五讲状态机设计及其指导原则6/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学 状态机的本质--对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法 状态机的两个应用思路：-从状态变量入手-明确电路的输出的关系第五讲状态机设计及其指导原则7/ 38第五讲状态机设计及其指导原则7/ 38制作人：梁瑞宇单位：河海大学制作人：梁瑞宇单位：河海大学对于逻辑电路而言，小到一个简单的时序逻辑，大到复杂的微处理器，都适合用状态机方法进行描述。

状态机分类
状态机是一种计算模型，它将计算过程看作状态的转换。

根据状态机的特性和实现方式的不同，我们可以将状态机分为以下几类：
1. 有限状态自动机（FSM）
有限状态自动机是最简单的状态机，它包含一组状态和一组转移条件。

在任何时候，状态机只能处于其中一个状态，而转移条件定义了从一个状态到另一个状态的转换。

有限状态自动机通常用于解决识别问题，例如正则表达式匹配。

2. 基于事件的状态机（EFSM）
基于事件的状态机扩展了有限状态自动机的转移条件，使其能够对事件做出响应。

事件可以是内部事件，例如超时或计数器溢出，也可以是外部事件，例如输入或输出。

基于事件的状态机通常用于实现协议或通信模型。

3. 层次状态机（HSM）
层次状态机是一种分层的状态机，它将状态和转移条件分组成层。

每一层都有自己的状态和转移条件，而底层状态机可以控制上层状态机的转换。

层次状态机通常用于处理复杂的控制流程，例如嵌入式系统或游戏引擎。

4. 反应式状态机（RSM）
反应式状态机是一种特殊的状态机，它可以对外部事件做出反应并改变其内部状态。

反应式状态机还可以将其状态和行为分成可
重用的模块，从而使状态机模型更加模块化和可扩展。

反应式状态机通常用于实现基于事件的系统和应用程序。

总之，状态机是一种强大的计算模型，可用于建模和实现各种计算问题。

通过了解不同类型的状态机，我们可以选择最适合特定问题的状态机实现方式。

状态机的应用原理什么是状态机状态机（State Machine）是一种数学模型，用于描述一个系统中的状态和状态之间的转换。

在计算机科学领域，状态机常被用于模拟和控制复杂的系统行为。

它可以帮助我们理解和设计各种软件和硬件系统，从操作系统到网络协议，从编程语言解析器到游戏逻辑。

状态机的基本概念在状态机中，我们将系统抽象为一个集合的状态，以及在这些状态之间转换的条件和动作。

•状态（State）：系统可能处于的不同情况或阶段。

每个状态具有唯一且独立的标识符。

•转换（Transition）：状态之间的切换，由触发条件和执行的动作组成。

•初始状态（Initial State）：系统启动时的初始状态。

•终止状态（Final State）：系统到达该状态时结束。

状态机的应用场景状态机广泛应用于各种领域，例如：1.自动控制系统：状态机可用于描述和控制自动控制系统的行为，如工业自动化、机器人控制等。

2.网络协议：状态机可以描述和模拟网络协议的通信过程，如TCP/IP协议、HTTP协议等。

3.编程语言解析器：状态机可以用于编程语言解析器的词法分析和语法分析过程。

4.游戏开发：状态机常用于游戏中角色和游戏场景的状态管理。

状态机的工作原理状态机由两部分组成：状态转换图和动作。

状态转换图是状态机的核心，它由状态和状态之间的转换组成。

在状态转换图中，每个状态表示一个系统的特定情况或阶段，而状态之间的转换则表示系统在不同情况之间的过渡。

动作是状态机的执行体，它与状态转换相关联。

当系统从一个状态转换到另一个状态时，可能会触发一些动作。

动作可以是一些计算、输出、控制指令等。

动作的目的是使系统在状态转换过程中完成一些特定的操作。

状态机的基本原则设计和应用状态机时，需要遵循以下几个基本原则：1.明确状态集合：清晰定义系统可能的状态及其含义。

2.明确转换条件：确定状态之间的转换条件，即触发状态转换所需的条件。

3.明确动作：为每个状态转换定义相应的动作，确保系统在状态转换时能够执行所需的操作。

状态机原理详解朱有鹏1.什么是状态机状态机理论最初的发展在数字电路设计领域。

状态机特别适合描述那些有发生有先后顺序，或者有逻辑规律的事情。

状态机的本质就是对具有逻辑顺序或时序规律事件的一种描述方法。

状态机通过响应一系列事件而“运行”。

每个事件都在属于“当前”节点的转移函数的控制范围内，其中函数的范围是节点的一个子集。

函数返回“下一个”（也许是同一个）节点。

这些节点中至少有一个必须是终态。

当到达终态，状态机停止。

1.1、有限状态机(1)常说的状态机是有限状态机FSM。

FSM指的是有有限个状态（一般是一个状态变量的值），这个机器同时能够从外部接收信号和信息输入，机器在接收到外部输入的信号后会综合考虑当前自己的状态和用户输入的信息，然后机器做出动作：跳转到另一个状态。

(2)考虑状态机的关键点：当前状态、外部输入、下一个状态以我们熟悉的水的三态变化为例，已知当前状态和输入条件，下一状态是确定的。

两个不同的状态，即使输入条件相同，下一状态一般不会相同。

1.2、两种状态机：Moore型和Mealy型(1)Moore型状态机特点是：输出只与当前状态有关（与输入信号无关），即可以把Moore型有限状态的输出看成是当前状态的函数。

Moore型状态机相对简单，考虑状态机的下一个状态时只需要考虑它的当前状态就行了。

(2)Mealy型状态机的特点是：输出不只和当前状态有关，还与输入信号有关。

状态机接收到一个输入信号需要跳转到下一个状态时，状态机综合考虑2个条件（当前状态、输入值）后才决定跳转到哪个状态。

下面举一个mealy型状态机的例子，学过数字电路的同学可能比较熟悉。

有这样一个序列检测器电路，功能是：检测出串行输入数据（用Sin表示）中的4位二进制序列0101(自左至右输入)，当检测到该序列时，输出Out=1；没有检测到该序列时，输出Out=0(注意考虑序列重叠的可能性，如010101，相当于出现两个0101序列)。

状态机数据结构状态机是一种用于描述系统状态和状态之间转换关系的数学模型。

它在计算机科学和工程领域有着广泛的应用。

本文将介绍状态机的基本概念、应用场景以及一些常用的状态机数据结构。

一、基本概念状态机是由一组状态和一组状态转换规则组成的。

状态表示系统的某种特定情况或条件，而状态转换规则描述了系统在不同状态下的行为。

状态机可以分为有限状态机（FSM）和无限状态机（ISM）两种类型。

1. 有限状态机（FSM）有限状态机是指状态的数量是有限的。

它包含一个初始状态和一组终止状态，以及一组状态转换规则。

当系统执行某个操作或接收到某个输入时，根据当前状态和输入，状态机会根据事先定义好的转换规则进行状态的转换。

2. 无限状态机（ISM）无限状态机是指状态的数量是无限的。

它通常用于描述具有连续状态的系统，如物理系统或网络协议等。

无限状态机通常通过微分方程或差分方程来描述状态之间的转换关系。

二、应用场景状态机在计算机科学和工程领域有着广泛的应用。

下面是一些常见的应用场景：1. 系统建模和设计：状态机可以帮助开发人员对系统行为和状态进行建模和设计。

它可以帮助开发人员更好地理解和分析系统的行为，并提供指导性的设计原则。

2. 编译器和解释器：状态机可以用于编译器和解释器中的词法分析和语法分析阶段。

通过定义适当的状态和状态转换规则，可以有效地分析和识别输入的代码片段。

3. 协议分析和验证：状态机可以用于描述和验证网络协议的行为。

通过定义协议的状态和状态转换规则，可以分析和验证协议的正确性和安全性。

4. 控制系统和自动化：状态机可以用于描述和控制各种自动化系统，如工业控制系统、机器人控制系统等。

通过定义系统的状态和状态转换规则，可以实现对系统行为的控制和调度。

三、常用的状态机数据结构在实际应用中，为了方便描述和实现状态机，常常使用一些特定的数据结构来表示状态和状态转换规则。

下面是一些常用的状态机数据结构：1. 状态表：状态表是一个二维表格，其中每一行表示一个状态，每一列表示一个输入。

简要说明状态机的分类,以及状态机的表达方式状态机是一种抽象的数学模型，用于描述在不同状态下的行为和
转换，常用于计算机科学中控制流程和状态转换的场景。

状态机的分类：
1、有限状态机（Finite State Machine，FSM）：是指状态的数
量是有限的，并且每个状态都有明确的转移条件和转移方向的状态机。

FSM通常用状态图或状态表来表示，常用于字符串匹配、语法分析等领域。

2、无限状态机（Infinite State Machine，ISM）：是指状态的
数量是无限的，没有明确的转移条件和转移方向的状态机。

ISM通常用状态空间图或状态空间表达式来表示，常用于电路设计、控制系统等领域。

状态机的表达方式：
1、状态图（State Diagram）：是一种用于描述状态和状态之间
转移的图形表示方法，通常由状态节点和转移边组成。

状态图可以用于描述有限状态机的行为。

2、状态表（State Table）：是一种用于描述状态和转移条件的
表格表示方法，通常由状态、输入、输出和转移条件组成。

状态表可以用于描述有限状态机的行为。

3、状态空间图（State-Space Diagram）：是一种用于描述状态空间中状态和状态之间转移的图形表示方法，通常由状态节点和转移边组成。

状态空间图可以用于描述无限状态机的行为。

4、状态空间表达式（State-Space Expression）：是一种用于描述状态空间中状态和转移条件的数学表达式，通常由状态变量、输入变量、输出变量和转移方程组成。

状态空间表达式可以用于描述无限状态机的行为。