• 状态机练习（饮料贩卖机程序设计）8/9

    关于状态机的基础知识可以访问以下链接学习：verilog中级语法之同步状态机原理和设计（十二）_ICer吼吼的博客-CSDN博客_同步状态机状态机https://blog.csdn.net/weixin_45680021/article/details/125286469

    补充：

    一段式、二段式、三段式状态机区别：

    一段式就是把状态，输入，输出都放在一个always里面；

    二段式就是一个always语句来实现时序逻辑，另外一个always语句来实现组合逻辑，需要定义现态和次态两个状态（current_state, next_state）；

    三段式就是把二段式中组合逻辑的输出单独提出来再放一个always用非阻塞方式输出，有效去掉二段式中组合逻辑直接用阻塞方式输出存在的毛刺问题 。

    一般建议使用三段式描述法

     有限状态机(FSM)：

    •    状态机是绝大部分数字控制电路的核心结构。
    •        moore有限状态机：输出仅依赖于内部状态，跟输入无关。
    •    mealy有限状态机：输出不仅决定于内部状态，还跟外部输入有关。
    •    有限状态机可以使用always语句和case语句描述，状态保存在寄存器中，根据寄存器不同的值（状态）执行不同的操作，case语句的多个分支则代表了不同状态的行为。

    练习： 

     两段式描述：

    1. //二段式状态机设计
    2. module fsm1(ds,rd,go,ws,clk,rst_n);
    3. 	output ds,rd;
    4. 	input go,ws;
    5. 	input clk, rst_n;
    6. 	reg ds,rd;
    7. 	
    8. 	parameter [1:0]  IDLE=2'b00,
    9. 	                READ=2'b01,
    10. 					DLY=2'b10,
    11. 					DONE=2'b11;
    12. 	
    13. 	reg [1:0] state,next;
    14. 	
    15. 	always@(posedge clk or negedge rst_n); //定义初始状态
    16. 		if(!rst_n)  
    17. 			state<=IDLE;
    18. 		else
    19. 			state<=next;
    20. 	
    21. 	always@(state or go or ws) begin  //定义下一个状态和输出
    22. 		next=2'bx;
    23. 		ds=1'b0;
    24. 		rd=1'b0;
    25. 		case(state)
    26. 		  IDLE：if(go)   
    27. 		            next=READ;
    28. 				else
    29. 				    next=IDLE;
    30. 		  READ: begin 
    31. 					next=DLY;
    32. 					rd=1'b1;
    33. 				end
    34. 		  DLY:  begin
    35. 					rd=1'b1;
    36. 				if(ws)
    37. 					next=READ;
    38. 				else
    39. 					next=DONE;
    40. 				end
    41. 		  DONE: begin
    42. 					ds=1'b1;
    43. 					next=IDLE;
    44. 				end
    45. 		endcase
    46. 		end
    47. endmodule

     三段式描述：

    1. //三段式状态机设计
    2. module fsm1b(ds,rd,go,ws,clk,rst_n);
    3. 	output ds,rd;
    4. 	input go,ws;
    5. 	input clk,rst_n;
    6. 	reg ds,rd;
    7. 	
    8. 	parameter [1:0]  IDLE=2'b00,
    9. 	                READ=2'b01,
    10. 					DLY=2'b10,
    11. 					DONE=2'b11;
    12. 					
    13. 	reg [1:0] state,next;
    14. 	
    15. 	always@(posedge clk or negedge rst_n) //定义初始状态
    16. 		if(!rst_n) 
    17. 			state<=IDLE;
    18. 		else
    19. 			state<=next;
    20. 			
    21. 	always@(state or go or ws) begin  //状态转换
    22. 		next=2'bx;
    23. 		case(state)
    24. 			IDLE:
    25. 			    if(go)
    26. 					next=READ;
    27. 				else
    28. 					next=IDLE;
    29. 			READ:
    30. 					next=DLY;
    31. 			DLY:
    32. 				if(ws)
    33. 					next=READ;
    34. 				else
    35. 					next=DONE;
    36. 			DONE:
    37. 					next=IDLE;
    38. 		endcase
    39. 	end
    40. 	
    41. 	always@(posedge clk or negedge rst_n)//输出
    42. 		if(!rst_n) begin
    43. 			ds<=1'b0;
    44. 			rd<=1'b0;
    45. 			end
    46. 		else begin
    47. 			ds<=1'b0;
    48. 			rd<=1'b0;
    49. 			end
    50. 		case(state)
    51. 			IDLE： 
    52. 				if(go)
    53. 					rd<=1'b1;
    54. 			READ:
    55. 					rd<=1'b1;
    56. 			DLY:
    57. 				if(ws)
    58. 					rd<=1'b1;
    59. 				else
    60. 					ds<=1'b1;
    61. 		endcase
    62. 		end
    63. endmodule

    贩卖机设计

    要求：简化考虑，假设饮料只有一种价格为2.5元。 硬币有0.5元和1.0元两种，考虑找零，用Verilog描述其控制电路。

    设计步骤分解：

    1.    分析输入输出端口信号；
    2.    状态转移图；
    3.    根据状态转移图进行Verilog 语言描述；
    4.    测试代码编写，仿真； 

    1.    输入输出端口信号分析 

    输入信号： clk，rst；
    输入信号：操作开始: op_start;          //定义1开始操作输入信号
    投币币值:   coin_val;                         //定义2’b01表示0.5元； 2’b10表示1元
    输入信号：取消操作指示 : cancel_flag;           //定义1为取消操作
    输出信号：机器是否占用: hold_ind;                 //定义0为不占用，可以使用
    输出信号：取饮料信号: drinktk_ind;                 //定义1为取饮料
    输出信号：找零与退币标志信号: charge_ind;  //定义1为找零 
    输出信号：找零与退币币值：charge_val;        //定义3’b001表示找0.5元;3’b010表示找1元;3’b011表示找1.5元; 3’b100表示找2.0元;

    LabVIEW程序设计模式
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    说明：

    1.    在S0状态下，如果检测到op_start=1，开始检测是否有投币，如果有，一次新的售货操作开始；
    2.    在状态S1/S2/S3/S4下，如果检测到cancel_flag=1，则取消操作，状态返回S0，并退回相应的币值；
    3.    在状态S5下，卖出饮料不找零；在状态S6下，卖出饮料并找零；
    4.    在状态S5和S6 操作完后，都返回状态S0，等待下一轮新的操作开始；
    5.    只有在S0 状态下，hold_ind=0，可以发起新一轮操作，其它状态下都为1； 

    RTL代码：

    1. module softdrinkFSM(clk,rst,op_start,cancel_flag,coin_val,hold_ind,charge_ind,drinktk_ind,charge_val);
    2. 	input clk,rst;
    3. 	input op_start;
    4. 	input cancel_flag;
    5. 	input [1:0] coin_val;
    6. 	
    7. 	output hold_ind,charge_ind,drinktk_ind;
    8. 	output [2:0] charge_val;
    9. 	
    10. 	reg hold_ind,charge_ind,drinktk_ind;
    11. 	reg [2:0] charge_val;
    12. 	reg [2:0] currentstate,nextstate;
    13. 	
    14. 	parameter S0=3'b000;
    15. 	parameter S1=3'b001;
    16. 	parameter S2=3'b010;
    17. 	parameter S3=3'b011;
    18. 	parameter S4=3'b100;
    19. 	parameter S5=3'b101;
    20. 	parameter S6=3'b110;
    21.  
    22. 	always@(posedge clk or posedge rst)
    23. 		if(rst)
    24. 			currentstate<=0;
    25. 		else
    26. 			currentstate<=nextstate;
    27. 	
    28. 	always@(currentstate or rst or op_start or cancel_flag or coin_val)
    29. 		if(rst)
    30. 			nextstate=S0;
    31. 		else
    32. 			case(currentstate)
    33. 			S0:
    34. 				if(op_start)
    35. 					if(coin_val==2'b01)
    36. 					  nextstate=S1;
    37. 					else if(coin_val==2'b10)
    38. 					  nextstate=S2;
    39. 			S1:
    40. 			    if(cancel_flag)
    41. 					nextstate=S0;
    42. 				else if(coin_val==2'b01)
    43. 					nextstate=S2;
    44. 				else if(coin_val==2'b10)
    45. 					nextstate=S3;
    46. 			S2:
    47. 			    if(cancel_flag)
    48. 					nextstate=S0;
    49. 				else if(coin_val==2'b01)
    50. 					nextstate=S3;
    51. 				else if(coin_val==2'b10)
    52. 					nextstate=S4;
    53. 			S3:
    54. 			    if(cancel_flag)
    55. 					nextstate=S0;
    56. 				else if(coin_val==2'b01)
    57. 					nextstate=S4;
    58. 				else if(coin_val==2'b10)
    59. 					nextstate=S5;
    60. 			S4:
    61. 			    if(cancel_flag)
    62. 					nextstate=S0;
    63. 				else if(coin_val==2'b01)
    64. 					nextstate=S5;
    65. 				else if(coin_val==2'b10)
    66. 					nextstate=S6;
    67. 			S5:
    68. 					nextstate=S0;
    69. 			S6:
    70. 					nextstate=S0;
    71. 			default:
    72. 					nextstate=S0;
    73. 			endcase
    74. 		
    75. 	always@(currentstate)
    76. 		if(currentstate==S0)
    77. 			hold_ind=0;
    78. 		else
    79. 			hold_ind=1;
    80. 			
    81. 	always@(currentstate)
    82. 		if((currentstate==S5)||(currentstate==S6))
    83. 			drinktk_ind=1'b1;
    84. 		else
    85. 			drinktk_ind=1'b0;
    86. 			
    87. 	always@(currentstate or cancel_flag)
    88. 		if(currentstate==S0)
    89. 			charge_ind=1'b0;
    90. 		else if(currentstate==S6)
    91. 			charge_ind=1'b1;
    92. 		else if(cancel_flag)
    93. 			charge_ind=1'b1;
    94. 		else
    95. 			charge_ind=1'b0;
    96. 	
    97. 	always@(currentstate or cancel_flag)
    98. 		if(currentstate==S0)
    99. 			charge_val=3'b000;
    100. 		else if(currentstate==S6)
    101. 			charge_val=3'b001;
    102. 		else if(cancel_flag) begin
    103. 			case(currentstate)
    104. 				S1:
    105. 					charge_val=3'b001;
    106. 				S2:
    107. 					charge_val=3'b010;
    108. 				S3:
    109. 					charge_val=3'b011;
    110. 				S4:
    111. 					charge_val=3'b100;
    112. 				default:
    113. 					charge_val=3'b000;
    114. 			endcase
    115. 			end
    116. 			else
    117. 				charge_val=3'b000;
    118. endmodule

    TB代码：

    1. //softdrinkFSM_td
    2. module softdrinkFSM_td;
    3. 	reg clk,rst;
    4. 	reg op_start;
    5. 	reg cancel_flag;
    6. 	reg [1:0] coin_val;
    7. 	wire hold_ind,charge_ind,drinktk_ind;
    8. 	wire [2:0] charge_val;
    9. 	
    10. 	initial begin
    11. 	clk=0;
    12. 	end
    13. 	
    14. 	always
    15. 	#500 clk=~clk;
    16. 	
    17. 	initial begin
    18. 	rst=0;
    19. 	op_start=0;
    20. 	cancel_flag=0;
    21. 	coin_val=2'b00;
    22. 	#25 rst=1;
    23. 	#25 rst=0;
    24. 	
    25. 	//第一次：依次投入一元，一元，一元的硬币
    26. 	#50 op_start=1;
    27. 	#300 coin_val=2'b10;
    28. 	#1000 coin_val=2'b10;
    29. 	#1000 coin_val=2'b10;
    30. 	#1000 op_start=0;
    31. 	
    32. 	//第二次：依次投入0.5元，一元，一元的硬币
    33. 	#2000 op_start=1;
    34. 	#300  coin_val=2'b01;
    35. 	#1000 coin_val=2'b10;
    36. 	#1000 coin_val=2'b10;
    37. 	#1000 op_start=0;
    38. 	
    39. 	//第三次：依次投入0.5元，一元的硬币，然后取消操作
    40. 	#2000 op_start=1;
    41. 	#300  coin_val=2'b01;
    42. 	#1000 coin_val=2'b10;
    43. 	#1000 cancel_flag=1'b1;
    44. 		  op_start=0;
    45. 	#1000 cancel_flag=1'b0;
    46. 	
    47. 	//第四次：依次投入0.5元，0.5元，0.5元，0.5元，一元的硬币，然后取消操作
    48. 	#2000 op_start=1;
    49. 	#300  coin_val=2'b01;
    50. 	#1000 coin_val=2'b01;
    51. 	#1000 coin_val=2'b01;
    52. 	#1000 coin_val=2'b01;
    53. 	#1000 coin_val=2'b10;
    54. 	#1000 op_start=0;
    55. 	#1000000 $stop;
    56. 	end
    57. 	
    58. 	softdrinkFSM init(clk,rst,op_start,cancel_flag,coin_val,hold_ind,charge_ind,drinktk_ind,charge_val);
    59. 	
    60. endmodule

    波形：

    第一次：

    第二次：

    第三次：

    第四次：

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