• FPGA—可乐机拓展训练题（状态机）

          题目：以可乐机为背景，一瓶可乐的价格还是 2.5 元。用按键控制投币（加入按键消抖功能），可以投 0.5 元硬币和 1 元硬币，投入 0.5 元后亮一个灯，投入 1 元后亮 2 个灯，投入 1.5 元后亮 3 个灯，投入 2 元后亮 4 个灯，如果投币后 10s 不再继续进行投币操作则可乐机回到初始状态。投入 2.5 元后出可乐不找零，此时 led 灯实现单向流水操作，流水10s后自动停止；投入 3 元后出可乐找零，此时 led 灯实现双向流水操作，流水 10s 后自动停止。有复位键，其功能是终止本次投币操作，使可乐机立刻回到初始状态。

       套用三要素法来分析:

    输入：不投币、投入 0.5 元硬币、投入 1 元硬币；

    输出：不出可乐/不找零、出可乐/不找零、出可乐/找零；

    状态：可乐机中有 0 元、可乐机中有 0.5 元、可乐机中有 1 元、可乐机中有 1.5 元、可乐机中有 2 元、可乐机中有 2.5 元、可乐机中有 3 元。

    1. 模块框图

    2. 状态转换图

    3. RTL代码

    3.1 按键消抖部分

           实现按键消抖，注意有两个输入故调用两次。效果为当检查到按键被按下后，输出的key_flag被拉高一个时钟，作为标志信号输入给下一个模块。

    1. `timescale  1ns/1ns
    2.  
    3. module  key_filter
    4. #(
    5.     parameter CNT_MAX = 20'd999_999 
    6. )
    7. (
    8.     input   wire    sys_clk     ,   
    9.     input   wire    sys_rst_n   ,   
    10.     input   wire    key_in      ,   
    11.  
    12.     output  reg     key_flag        
    13.                                     
    14. );
    15.  
    16. reg     [19:0]  cnt_20ms    ;   //计数器
    17.  
    18. //cnt_20ms:如果时钟的上升沿检测到外部按键输入的值为低电平时，计数器开始计数
    19. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    20.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    21.         cnt_20ms <= 20'b0;
    22.     else    if(key_in == 1'b1)
    23.         cnt_20ms <= 20'b0;
    24.     else    if(cnt_20ms == CNT_MAX && key_in == 1'b0)
    25.         cnt_20ms <= cnt_20ms;
    26.     else
    27.         cnt_20ms <= cnt_20ms + 1'b1;
    28.  
    29. //key_flag:当计数满20ms后产生按键有效标志位
    30. //且key_flag在999_999时拉高,维持一个时钟的高电平
    31. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    32.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    33.         key_flag <= 1'b0;
    34.     else    if(cnt_20ms == CNT_MAX - 1'b1)
    35.         key_flag <= 1'b1;
    36.     else
    37.         key_flag <= 1'b0;
    38.  
    39. endmodule

    3.2 complex_fsm部分

            实现随着状态切换后小灯的各种显示效果。注意影响状态切换的条件除了投币还有10s有效时间。使用两类均采用时序逻辑的 always 块，第一类 always 块描述状态(state)的转移为第一段状态机，第二类 always 块描述数据的输出为第二段状态机，所以写状态机一般则采用两段式。

           总结一下套用的格式有哪些主要部分构成：第一部份端口列表部分； 第二部份状态编码部； 第三部份是定义的状态变量； 第四部份分为第一段状态机和第二段状态机。一共有四部分，写状态机代码的时候根据这种格式依次编写，非常容易的就可以实现。

    1. `timescale  1ns/1ns
    2.  
    3. module  complex_fsm
    4. #(
    5.     parameter   CNT_MAX  = 25'd24_999_999,       //0.5s定时器计时
    6.     parameter   CNT_KEY = 20'd999_999            //20ns按键稳定状态
    7. )
    8. (
    9.     input   wire         sys_clk         ,   
    10.     input   wire         sys_rst_n       ,   
    11.     input   wire         pi_money_one    ,   //投币1元
    12.     input   wire         pi_money_half   ,   //投币0.5元
    13.                          
    14.     output  reg   [3:0]  led
    15. );
    16.  
    17. //只有七种状态，使用独热码                        
    18. parameter   IDLE     = 7'b0000001;
    19. parameter   HALF     = 7'b0000010;
    20. parameter   ONE      = 7'b0000100;
    21. parameter   ONE_HALF = 7'b0001000;
    22. parameter   TWO      = 7'b0010000;   
    23. parameter   TWO_HALF = 7'b0100000;
    24. parameter   THREE    = 7'b1000000;               
    25.  
    26. reg     [6:0]   state  ;
    27.  
    28. reg     [3:0]   led_a  ;
    29. reg     [3:0]   led_b  ;
    30. reg     [3:0]   led_c  ;
    31.  
    32. reg     [24:0]  cnt    ;
    33. reg     [4:0]   cnt_10s = 5'd21;
    34.  
    35. reg             move   ;
    36.  
    37. reg     po_money     ;                     
    38. reg     po_cola      ;
    39.                               
    40. wire    [1:0]   pi_money;
    41. wire            po_money_half;
    42. wire            po_money_one ;
    43.  
    44. wire            cola_flag;                 
    45.  
    46. //pi_money:为了减少变量的个数，用 位拼接 把输入的两个1bit信号拼接成1个2bit信号
    47. //投币方式可以为：不投币（00）、投0.5元（01）、投1元（10），每次只投一个币
    48. assign pi_money = {po_money_one, po_money_half};
    49.  
    50. //满足出可乐条件的所有情况
    51. assign  cola_flag = (state == TWO && pi_money == 2'b01) || (state == TWO && 
    52.           pi_money == 2'b10) || (state == ONE_HALF && pi_money == 2'b10);
    53. 		  
    54. //第一段状态机，当前状态state如何根据输入跳转到下一状态
    55. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    56.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    57.         state <= IDLE;  
    58.     else    case(state)
    59.                 IDLE    : if(pi_money == 2'b01)   //有几个输入就有几种跳转情况
    60.                               state <= HALF;
    61.                           else    if(pi_money == 2'b10)
    62.                               state <= ONE;
    63.                           else
    64.                               state <= IDLE;
    65.     
    66.                 HALF    : if(pi_money == 2'b01)
    67.                               state <= ONE;
    68.                           else    if(pi_money == 2'b10)
    69.                               state <= ONE_HALF;
    70.                           else  if(cnt_10s == 5'd20)
    71.                               state <= IDLE;
    72.     
    73.                 ONE     : if(pi_money == 2'b01)
    74.                               state <= ONE_HALF;
    75.                           else    if(pi_money == 2'b10)
    76.                               state <= TWO;
    77.                           else  if(cnt_10s == 5'd20)
    78.                               state <= IDLE;
    79.     
    80.                 ONE_HALF: if(pi_money == 2'b01)
    81.                               state <= TWO;
    82.                           else    if(pi_money == 2'b10)
    83.                               state <= TWO_HALF;
    84.                           else  if(cnt_10s == 5'd20)
    85.                               state <= IDLE;
    86.     
    87.                 TWO     : if(pi_money == 2'b01)
    88.                               state <= TWO_HALF;
    89.                           else   if(pi_money == 2'b10)
    90.                               state <= THREE;
    91.                           else  if(cnt_10s == 5'd20)
    92.                               state <= IDLE;
    93.     
    94.                 TWO_HALF: if(cnt_10s == 5'd20)    //10秒没有投币     
    95.                               state <= IDLE;
    96.                           else if(pi_money == 2'b01)  //继续投币 0.5元
    97.                               state <= HALF;
    98. 						  else if(pi_money == 2'b10)  //继续投币 1元
    99. 						      state <= ONE;
    100. 					     
    101.       
    102.                 THREE   : if(cnt_10s == 5'd20)     //10秒没有投币 
    103.                               state <= IDLE;
    104.                           else if(pi_money == 2'b01)  //继续投币 0.5元
    105.                               state <= HALF;
    106. 						  else if(pi_money == 2'b10)  //继续投币 1元
    107. 						      state <= ONE;
    108. 							  
    109.                 default :     state <= IDLE;
    110.             endcase
    111.  
    112. //第二段状态机，cnt:计数器计数 500ms
    113. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    114.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    115.         cnt <= 25'b0;
    116.     else if(cnt == CNT_MAX)
    117.         cnt <= 25'b0;
    118.     else if(cnt_10s != 5'd21)     //开始计时
    119.         cnt <= cnt + 1'b1;
    120. //第二段状态机，10s计数器
    121. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    122.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    123.         cnt_10s <= 5'd21;
    124.     else    if((pi_money != 2'd0)  //开始计时
    125.         cnt_10s <= 5'd0;
    126.     else    if(cnt == CNT_MAX)
    127.         cnt_10s <= cnt_10s + 1'b1;
    128.     else    if(cnt_10s == 5'd20)
    129.         cnt_10s <= 5'd0 ;
    130. //第二段状态机，led_a:投币控制led状态
    131. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    132.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    133.         led_a <= 4'b1111;
    134.     else    if(state == TWO)
    135.         led_a <= 4'b0000;
    136.     else    if(state == ONE_HALF)
    137.         led_a <= 4'b0001;
    138.     else    if(state == ONE)
    139.         led_a <= 4'b0011;
    140.     else    if(state == HALF)
    141.         led_a <= 4'b0111;
    142.     else    if(state == IDLE)
    143.         led_a <= 4'b1111;	
    144. //第二段状态机，led_b:led 单向循环流水
    145. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    146.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    147.         led_b <= 4'b0001;
    148.     else if(led_b == 4'b1000 && cnt == CNT_MAX)
    149.         led_b <= 4'b0001;
    150.     else if(cnt == CNT_MAX)
    151.         led_b <= led_b << 1'b1; //左移  
    152. //第二段状态机，led_c:led双向循环流水
    153. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    154.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    155.         led_c <=  4'b0001;
    156.     else    if(move == 1'b0 && cnt == CNT_MAX)
    157.         led_c <= led_c  >>1'b1; //右移
    158.     else    if(move == 1'b1 && cnt == CNT_MAX)
    159.         led_c <= led_c  <<1'b1; //左移
    160.     else
    161.         led_c <= led_c ;
    162. //led循环流水使能信号
    163. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    164.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    165.         move <= 1'b0;
    166.     else    if(led_c == 4'b1000)
    167.         move <= 1'b0;
    168.     else    if(led_c == 4'b0001)
    169.         move <= 1'b1;
    170. 		
    171. //根据状态机控制led状态
    172. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    173.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    174.         led <= 4'b1111;
    175.     else    if((state == THREE)&&(cnt_10s != 5'd20))
    176.         led <= led_c;
    177.     else    if((state == TWO_HALF)&&(cnt_10s != 5'd20))
    178.         led <= led_b;
    179.     else   
    180.         led <=~led_a;
    181. 		
    182. //第二段状态机，描述当前状态state和输入pi_money如何影响po_cola输出
    183. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    184.     if(sys_rst_n == 1'b0)
    185.         po_cola <= 1'b0;
    186.     else    if(cola_flag == 1'b1)
    187.         po_cola <= 1'b1;
    188.     else
    189.         po_cola <= 1'b0;
    190. //第二段状态机，描述当前状态state和输入pi_money如何影响po_money输出
    191. always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
    192.     if(sys_rst_n ==	1'b0)
    193.         po_money <= 1'b0;
    194.     else if((state == TWO) && (pi_money == 2'b10))
    195.         po_money <= 1'b1;
    196.     else
    197.         po_money <= 1'b0;
    198.  
    199. 		
    200. //分别调用两个按键模块
    201. key_filter
    202. #(
    203.     .CNT_MAX(CNT_KEY)
    204. )
    205. key_filter_inst1
    206. (
    207.     .sys_clk   (sys_clk         ),
    208.     .sys_rst_n (sys_rst_n       ),
    209.     .key_in    (pi_money_half   ),
    210.  
    211.     .key_flag  (po_money_half   )   
    212. );
    213. key_filter
    214. #(
    215.     .CNT_MAX(CNT_KEY)
    216. )
    217. key_filter_inst2
    218. (
    219.     .sys_clk   (sys_clk     ),
    220.     .sys_rst_n (sys_rst_n   ),
    221.     .key_in    (pi_money_one),
    222.  
    223.     .key_flag  (po_money_one)         
    224.  
    225. );
    226. endmodule

    5. 总结

    1. 编写状态机的步骤，格式。

    2. 如何绘制状态转换图，抓住“三要素”。

    3. 处理LED输出按显示效果分类后输出。

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