有限状态机FSM(自动售报机Verilog实现)

有限状态机FSM(自动售报机Verilog实现)

FSM

• 状态机就是一种能够描述具有逻辑顺序和时序顺序事件的方法。

状态机有两大类：Mealy型和Moore型。
Moore型状态机的输出只与当前状态有关，而Mealy型状态机的输出不仅取决于当前状态，还受到输入的直接控制，并且可能与状态无关。

当使用Verilog来描述一个简单状态机的设计时，应将状态寄存器的控制器的控制和状态机状态里的组合逻辑分开。

• 分离功能使得在逻辑部分的代码中可以使用阻塞赋值语句

状态更新逻辑包含状态寄存器，不能被外设读取。组合逻辑使用输入和当前状态值来对输出赋值，并改变状态机的下一状态。

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同步时序电路的设计方法

• 逻辑抽象，得出电路的状态转换图或者状态转换表
• 状态化简
• 状态分配(状态编码:Binary,Gray,One-Hot)
• Verilog根据最简状态转换图编程，检查设计的电路能否自启动

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四个要素

• 当前输入
• 当前状态
• 下一状态
• 当前输出值

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代码风格

一段式

当前状态、下一状态、当前输出值都写在一个always块中

二段式

当前状态、下一状态、当前输出值写在两个always块中

• 注意：这样三种组合方式，及有三种方式写这两个always块。

三段式

当前状态、下一状态、当前输出值分别写在各自的always块中，这样需要3个always块。

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自动售报机Verilog实现

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设计说明

设计一个简单的数字电路用于电子的报纸售卖机的投币器。

• 假设报纸的价格为15分。
• 投币器只能接受5分和1角的硬币。
• 必须提供适当的数目的零钱，投币器不找零。
• 合法的硬币组合包括1个5分的硬币和1个一角的硬币，3个5分的硬币，1个1角的硬币和1个5分的硬币。2个1角的硬币是合法的，但是投币器不找零。

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电路说明

• 当投入硬币时，一个两位的信号coin[1:0]被传送到数字电路。该信号在全局clock信号的下一个下降沿取值，并且准确地保持一个始终周期。
• 数字电路的输出是一位的。每次当投入硬币总数为15分或者超过15分时，输出信号newspaper变为高电平，并且保持一个时钟周期。售卖机的门也被打开。
• 可以用一个reset信号复位有限状态机。假设为同步复位。

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有限状态机FSM

可以用有限状态机表示该数字电路的功能。

• 输入：2位，coin[1:0]。没有硬币时，x0 = 2'b00；有一个5分的硬币时，x5 = 2'b01；有一个1角的硬币时，x10 = 2'b10。
• 输出：1位，newspaper。当newspaper = 1'b1时，打开门。
• 状态：4个状态。s0 = 0分，s5 = 5分，s10 = 10分，s15 = 15分。

状态机转换图

状态	钱数	输入	硬币[1:0]
s0	0分	x0	2'b00
s5	5分	x5	2'b01
s10	10分	x10	2'b10
s15	15分	-	无关

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verilog描述

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design code

module vend(
            input    [1:0]   coin,
            input            clock,
            input            reset,
            output           newspaper
            );

//声明有限状态机的内部状态
wire    [1:0]   NEXT_STATE;
reg     [1:0]   PRES_STATE;

//状态编码
parameter     s0  = 2'b00;
parameter     s5  = 2'b01;
parameter     s10 = 2'b10;
parameter     s15 = 2'b11;

//用同步复位、时钟正跳变沿触发的状态触发器
always@(posedge clock)
begin
    if(reset == 1'b1)
        PRES_STATE <= s0;
    else
        PRES_STATE <= NEXT_STATE;
end

//组合逻辑
function [2:0] fsm;  //状态变化及输出组合逻辑
    input  [1:0]  fsm_coin;
    input  [1:0]  fsm_PRES_STATE;

    reg           fsm_newspaper;
    reg    [1:0]  fsm_NEXT_STATE;

    begin
        case(fsm_PRES_STATE)
            s0:     //状态为s0
               begin
                   if(fsm_coin == 2'b10)
                   begin
                       fsm_newspaper   = 1'b0;
                       fsm_NEXT_STATE  = s10;
                   end
                   else if(fsm_coin == 2'b01)
                   begin
                       fsm_newspaper   = 1'b0;
                       fsm_NEXT_STATE  = s5;
                   end
                   else
                   begin
                       fsm_newspaper   = 1'b0;
                       fsm_NEXT_STATE  = s0;
                   end
               end
            s5:     //状态为s5
               begin
                   if(fsm_coin == 2'b10)
                   begin
                       fsm_newspaper   = 1'b0;
                       fsm_NEXT_STATE  = s15;
                   end
                   else if(fsm_coin == 2'b01)
                   begin
                       fsm_newspaper   = 1'b0;
                       fsm_NEXT_STATE  = s10;
                   end
                   else
                   begin
                       fsm_newspaper   = 1'b0;
                       fsm_NEXT_STATE  = s5;
                   end
               end
            s10:     //状态为s10
               begin
                   if(fsm_coin == 2'b10)
                   begin
                       fsm_newspaper   = 1'b0;
                       fsm_NEXT_STATE  = s15;
                   end
                   else if(fsm_coin == 2'b01)
                   begin
                       fsm_newspaper   = 1'b0;
                       fsm_NEXT_STATE  = s15;
                   end
                   else
                   begin
                       fsm_newspaper   = 1'b0;
                       fsm_NEXT_STATE  = s10;
                   end
               end
            s15:     //状态为s15
               begin
                   fsm_newspaper   = 1'b1;
                   fsm_NEXT_STATE  = s0;
               end
           endcase

           fsm = {fsm_newspaper,fsm_NEXT_STATE};
    end
endfunction

//每当硬币放入或当前状态改变时，组合逻辑动作
assign  {newspaper,NEXT_STATE} = fsm(coin,PRES_STATE);

endmodule

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testbench

module vend_tb;

reg           clock;
reg           reset;
reg   [1:0]   coin;
wire          newspaper;

always #20 clock = ~clock;

initial
begin
    clock = 0;
    reset = 1;
    #100;
    reset = 0;

    @(posedge clock) coin[1:0] = 2'b00;
    @(posedge clock);
    @(posedge clock) coin[1:0] = 2'b01;
    @(posedge clock);
    @(posedge clock) coin[1:0] = 2'b10;
    @(posedge clock);

    @(posedge clock) coin[1:0] = 2'b10;
    @(posedge clock);
    @(posedge clock) coin[1:0] = 2'b10;
    @(posedge clock);
    
    @(posedge clock) coin[1:0] = 2'b00;
    @(posedge clock);
    @(posedge clock) coin[1:0] = 2'b01;
    @(posedge clock);
    @(posedge clock) coin[1:0] = 2'b01;
    @(posedge clock);
    @(posedge clock) coin[1:0] = 2'b01;

    #200 $finish;
end

initial begin
  $fsdbDumpfile("test.fsdb");
  $fsdbDumpvars();
end

vend u_vend( 
            .coin(coin),
            .clock(clock),
            .reset(reset),
            .newspaper(newspaper)
             );

endmodule

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仿真结果

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参考资料

[1]. Verilog HDL数字设计与综合(第二版) [美]Simir Palnitkar 著 夏宇闻 等译
[2]. Verilog 数字VLSI设计教程 [美] John Willianms 著 李林 等译
[3]. 有限状态机 FSM 设计
[4]. 有限狀態機FSM coding style整理 (SOC) (Verilog)