FPGA系统性学习笔记连载_Day15【状态机、自动售货机】 【原理及verilog仿真】篇
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连载《叁芯智能fpga设计与研发-第15天》 【状态机、自动售货机】 【原理及verilog仿真】
原创作者：紫枫术河 转载请联系群主授权，否则追究责任
本篇文章记录状态机的感念、及用状态机实现一个自动售货机的实验
一、状态机基本概念
状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，能够根据控制信号按照预先设定的状态进行状态转移，是协调
相关信号动作、完成特定操作的控制中心。有限状态机简写为FSM（Finite State Machine），主要分为2大类：
1.1、摩尔型，输出只与状态寄存器的输出状态有关
1.2、米粒型，输出不仅与状态寄存器的输出状态有关，还与组合逻辑的输入有关
1.3、状态机的状态个数必须是有限的
二、有限状态机
有限状态机是一种概念性机器，它能采取某种操作来响应一个外部事件。
1.1、具体采取的操作不仅能取决于接收到的事件；
1.2、还取决于各个事件的相对发生顺序。
之所以能做到这一点，是因为机器能跟踪一个内部状态，它会在收到事件后进行更新。
1.3、为一个事件而响应的行动不仅取决于事件本身，还取决于机器的内部状态。另外，采取的行动还会决定并更新机器的状态。
这样一来，任何逻辑都可建模成一系列事件/状态组合。
1.4 状态机可归纳为4个要素，即现态、条件、动作、次态。这样的归纳，主要是出于对状态机的内在因果关系的考虑。
1.5、“现态”和“条件”是因，“动作”和“次态”是果。详解如下：
①现态：是指当前所处的状态。
②条件：又称为“事件”，当一个条件被满足，将会触发一个动作，或者执行一次状态的迁移。
③动作：条件满足后执行的动作。动作执行完毕后，可以迁移到新的状态，也可以仍旧保持原状态。
动作不是必需的，当条件满足后，也可以不执行任何动作，直接迁移到新状态。
④次态：条件满足后要前往的新状态。“次态”是相对于“现态”而言的，“次态”一旦被激活，就转变成新的“现态”了。
三、自动售货机
自动售货机：假设一个售货机买一种饮料价格2.5元，投币只能是0.5元、1元，当累计投币>=2.5，售出饮料，并找零钱
1.1、根据我们投钱的组合，一共有5个状态，状态之间的转移如下图
1.2、状态之间的转移条件，如下表
1.3、verilog代码编写，这个例子我用的是一段式状态机
代码语言：javascript复制module auto_sell(
input clk,
input rst_n,
input coin_one,
input coin_half,
output reg water,
output reg coin_back
);
parameter ZERO = 3'b000;
parameter HALF = 3'b001;
parameter ONE = 3'b010;
parameter ONE_HALF = 3'b011;
parameter TWO = 3'b100;
//一段式状态机
reg [2:0] status;
always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
begin
status <= ZERO;
water <= 0;
coin_back <= 0;
end
else
case(status)
ZERO :
begin
water <= 0;
coin_back <= 0;
if(coin_half)
status <= HALF;
else if(coin_one)
status <= ONE;
else
status <= status;
end
HALF :
begin
water <= 0;
coin_back <= 0;
if(coin_half)
status <= ONE;
else if(coin_one)
status <= ONE_HALF;
else
status <= status;
end
ONE :
begin
water <= 0;
coin_back <= 0;
if(coin_half)
status <= ONE_HALF;
else if(coin_one)
status <= TWO;
else
status <= status;
end
ONE_HALF :
begin
if(coin_half)
begin
status <= TWO;
water <= 1'b0;
coin_back <= 1'b0;
end
else if(coin_one)
begin
status <= ZERO;
water <= 1'b1;
coin_back <= 1'b0;
end
else
begin
status <= status;
water <= 1'b0;
coin_back <= 1'b0;
end
end
TWO :
begin
if(coin_half)
begin
status <= ZERO;
water <= 1'b1;
coin_back <= 1'b0;
end
else if(coin_one)
begin
status <= ZERO;
water <= 1'b1;
coin_back <= 1'b1;
end
else
begin
status <= status;
water <= 1'b0;
coin_back <= 1'b0;
end
end
default:
begin
status <= ZERO;
water <= 1'b0;
coin_back <= 1'b0;
end
endcase
end
endmodule1.4、仿真脚本
代码语言：javascript复制module auto_sell(
input clk,
input rst_n,
input coin_one,
input coin_half,
output reg water,
output reg coin_back
);
parameter ZERO = 3'b000;
parameter HALF = 3'b001;
parameter ONE = 3'b010;
parameter ONE_HALF = 3'b011;
parameter TWO = 3'b100;
//一段式状态机
reg [2:0] status;
always@(posedge clk,negedge rst_n)begin
if(!rst_n)
begin
status <= ZERO;
water <= 0;
coin_back <= 0;
end
else
case(status)
ZERO :
begin
water <= 0;
coin_back <= 0;
if(coin_half)
status <= HALF;
else if(coin_one)
status <= ONE;
else
status <= status;
end
HALF :
begin
water <= 0;
coin_back <= 0;
if(coin_half)
status <= ONE;
else if(coin_one)
status <= ONE_HALF;
else
status <= status;
end
ONE :
begin
water <= 0;
coin_back <= 0;
if(coin_half)
status <= ONE_HALF;
else if(coin_one)
status <= TWO;
else
status <= status;
end
ONE_HALF :
begin
if(coin_half)
begin
status <= TWO;
water <= 1'b0;
coin_back <= 1'b0;
end
else if(coin_one)
begin
status <= ZERO;
water <= 1'b1;
coin_back <= 1'b0;
end
else
begin
status <= status;
water <= 1'b0;
coin_back <= 1'b0;
end
end
TWO :
begin
if(coin_half)
begin
status <= ZERO;
water <= 1'b1;
coin_back <= 1'b0;
end
else if(coin_one)
begin
status <= ZERO;
water <= 1'b1;
coin_back <= 1'b1;
end
else
begin
status <= status;
water <= 1'b0;
coin_back <= 1'b0;
end
end
default:
begin
status <= ZERO;
water <= 1'b0;
coin_back <= 1'b0;
end
endcase
end
endmodule1.5、仿真结果
从仿真结果，我们进行了2次投币，第一次投2.5元，出水，不找零；第二次投3元，出水并找零。
【QQ交流群】
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完
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