有限状态机FSM(自动售报机Verilog实现)

本秂侑毒 提交于 2019-12-22 09:24:00

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。


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

四个要素

  • 当前输入
  • 当前状态
  • 下一状态
  • 当前输出值

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。


自动售报机Verilog实现


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。

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。

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


verilog描述


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

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

仿真结果



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)

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