实验目标1：
用状态机分析和实现一个简单的售货机系统，可乐机每次只能投入 1 枚 1 元硬币，且每瓶可乐卖 3 元钱，即投入 3 个硬币就可以让可乐机出可乐，如果投币不够 3 元想放弃投币需要按复位键，否则之前投入的钱不能退回。
状态机的基本结构与组成：
1 、输入：根据输入可以确定是否需要进行状态跳转以及输出，是影响状态机系统执行过程
的重要驱动力；
2 、输出：根据当前时刻的状态以及输入，是状态机系统最终要执行的动作；
3 、状态：根据输入和上一状态决定当前时刻所处的状态，是状态机系统执行的一个稳定的
过程。
把实例抽象为状态机：
结构组成
1 、输入：投入 1 元硬币、没有投入硬币；
2 、输出：出可乐、不出可乐；
3 、状态：可乐机中有 0元、可乐机中有 1 元、可乐机中有 2元、可乐机中有 3 元。
状态明确
可乐机中有 0 元的状态是最原始的状态我们称之为 IDLE 状态，可乐机中有 1 元的状态我们就取名为 ONE，可乐机中有 2 元的状态取名为 TWO，可乐机中有 3元的状态取名为 THREE。
没有投入硬币作为0，投入一元硬币作为1
状态机设计
在TWO状态时可能会发现问题，这时可乐机中已经有 3 元钱了，是可以出可乐了，但是出了可乐后我们的状态应该是回到 IDLE 状态才正确，为什么又多出来一个 THREE 呢？把 THREE状态去掉，变为下图，此为 Moore 型状态机，即输出只与状态有关而与输入无关。
也可以按照上面四种状态的状态转移图来分析，TWO 状态下的第二种情况时虽然可乐机中有
了 3 元钱，但是和上面分析不同的是可乐机器此时不会立刻出可乐，此为 Mealy 状态机，输出不仅与状态有关还和输入有关，可以看到3状态后面根据不同的输入跳转了两种不同的结果。
最后设计的时候大家往往更喜欢把状态的个数化简到最简的状态，因此参照moore型状态机
编写代码
首先需要对于三种状态使用参数化进行编码，一般使用独热码。同时定义一个state寄存器表示状态。
parameter IDLE = 3'b001; parameter ONE = 3'b010; parameter TWO = 3'b100; //reg define reg [2:0] state
状态机的代码编写，设计完成状态机后可以参照模板直接编写代码，这就是状态机方便的地方。
状态机模板使用case语句逻辑，对于每个case下的状态，都会根据输入条件来确定下一时刻的状态。此时只需要关注输入与下一时刻的状态。
//第一段状态机，描述当前状态state如何根据输入跳转到下一状态
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
state <= IDLE; //任何情况下只要按复位就回到初始状态
else case(state)
IDLE : if(pi_money == 1'b1)//判断输入情况
state <= ONE;
else
state <= IDLE;
ONE : if(pi_money == 1'b1)
state <= TWO;
else
state <= ONE;
TWO : if(pi_money == 1'b1)
state <= IDLE;
else
state <= TWO;
//如果状态机跳转到编码的状态之外也回到初始状态
default : state <= IDLE;
endcase
接下来编写输出逻辑代码，此时需要关注输入和状态如何影响输出，我们给出一个波形图直观一些
这里需要注意观察状态和输出影响的是下一时刻的输出，比如po_cola=1时的输入和状态要看上一个时钟周期的状态和输入即为(state == TWO) && (pi_money == 1'b1)
//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
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
po_cola <= 1'b0;
else if((state == TWO) && (pi_money == 1'b1))
po_cola <= 1'b1;
else
po_cola <= 1'b0
接下来是完整代码：
module simple_fsm
(
input wire sys_clk , //系统时钟50MHz
input wire sys_rst_n , //全局复位
input wire pi_money , //投币方式可以为：不投币（0）、投1元（1）
output reg po_cola //po_cola为1时出可乐，po_cola为0时不出可乐
);
//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//parameter define
//只有三种状态，使用独热码
parameter IDLE = 3'b001;
parameter ONE = 3'b010;
parameter TWO = 3'b100;
//reg define
reg [2:0] state;
//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//
//第一段状态机，描述当前状态state如何根据输入跳转到下一状态
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
state <= IDLE; //任何情况下只要按复位就回到初始状态
else case(state)
IDLE : if(pi_money == 1'b1)//判断输入情况
state <= ONE;
else
state <= IDLE;
ONE : if(pi_money == 1'b1)
state <= TWO;
else
state <= ONE;
TWO : if(pi_money == 1'b1)
state <= IDLE;
else
state <= TWO;
//如果状态机跳转到编码的状态之外也回到初始状态
default : state <= IDLE;
endcase
//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
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
po_cola <= 1'b0;
else if((state == TWO) && (pi_money == 1'b1))
po_cola <= 1'b1;
else
po_cola <= 1'b0;
endmodule
接下来稍微复杂一些的实现继续练习
实验目标2：
可乐定价为 2.5 元一瓶，可投入 0.5 元、1 元硬币，投币不够 2.5 元需要按复位键退回钱款，投币超过 2.5 元需找零。
抽象为状态机
输入：不投（00），投入 0.5 元（01）或1 元硬币（10）
输入有两个信号可以拼接成一个信号来判断
//wire define
wire [1:0] pi_money;
//pi_money:为了减少变量的个数，我们用位拼接把输入的两个1bit信号拼接成1个2bit信号
//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
assign pi_money = {pi_money_one, pi_money_half};
输出：投出可乐和找零具体为不出可乐/不找零（00）、出可乐/不找零（01）、出可乐/找零（10）；
输出话波形图看关系
状态：可乐机中有 0 元（IDLE）、可乐机中有 0.5 元（HALF）、可乐机中有 1 元（ONE）、可乐机中有 1.5 元（ONE_HALF）、可乐机中有 2 元（TWO）、可乐机中有 2.5 元（TWO_HALF）、可乐机中有 3 元(THREE)。
对状态进行编码：
//parameter define //只有五种状态，使用独热码 parameter IDLE = 5'b00001; parameter HALF = 5'b00010; parameter ONE = 5'b00100; parameter ONE_HALF = 5'b01000; parameter TWO = 5'b10000;
注意：画状态转移图时容易出现状态跳转情况遗漏的问题，这里我们给大家总结一个
小技巧：我们可以观察到，输入有多少种情况（上一节是两种输入情况，本节是三种输入
情况），每个状态的跳转就有多少种情况（上一节每个状态都有两种跳转情况，本节每个
状态都有三种跳转情况），这样根据输入来确定状态的跳转就能够保证我们不漏掉任何一
种状态跳转。
输入有三个所以每个状态的下一个状态都有三种情况
//第一段状态机，描述当前状态state如何根据输入跳转到下一状态
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
state <= IDLE; //任何情况下只要按复位就回到初始状态
else case(state)
IDLE : if(pi_money == 2'b01) //判断一种输入情况
state <= HALF;
else if(pi_money == 2'b10)//判断另一种输入情况
state <= ONE;
else
state <= IDLE;
HALF : if(pi_money == 2'b01)
state <= ONE;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= ONE_HALF;
else
state <= HALF;
ONE : if(pi_money == 2'b01)
state <= ONE_HALF;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= TWO;
else
state <= ONE;
ONE_HALF: if(pi_money == 2'b01)
state <= TWO;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= IDLE;
else
state <= ONE_HALF;
TWO : if((pi_money == 2'b01) || (pi_money == 2'b10))
state <= IDLE;
else
state <= TWO;
//如果状态机跳转到编码的状态之外也回到初始状态
default : state <= IDLE;
endcase
如何根据波形图观察输出，由状态信号和输入信号决定
po_cola为高的条件是：(state == TWO && pi_money == 2'b01) || (state == TWO && pi_money == 2'b10) || (state == ONE_HALF && pi_money == 2'b10
po_money为高的条件是：(state == TWO) && (pi_money == 2'b10)
//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
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
po_cola <= 1'b0;
else if((state == TWO && pi_money == 2'b01) || (state == TWO &&
pi_money == 2'b10) || (state == ONE_HALF && pi_money == 2'b10))
po_cola <= 1'b1;
else
po_cola <= 1'b0;
//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
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
po_money <= 1'b0;
else if((state == TWO) && (pi_money == 2'b10))
po_money <= 1'b1;
else
po_money <= 1'b0;
完整代码如下：
module complex_fsm
(
input wire sys_clk , //系统时钟50MHz
input wire sys_rst_n , //全局复位
input wire pi_money_one , //投币1元
input wire pi_money_half , //投币0.5元
output reg po_money , //po_money为1时表示找零
//po_money为0时表示不找零
output reg po_cola //po_cola为1时出可乐
//po_cola为0时不出可乐
);
//********************************************************************//
//****************** Parameter and Internal Signal *******************//
//********************************************************************//
//parameter define
//只有五种状态，使用独热码
parameter IDLE = 5'b00001;
parameter HALF = 5'b00010;
parameter ONE = 5'b00100;
parameter ONE_HALF = 5'b01000;
parameter TWO = 5'b10000;
//reg define
reg [4:0] state;
//wire define
wire [1:0] pi_money;
//********************************************************************//
//***************************** Main Code ****************************//
//********************************************************************//
//pi_money:为了减少变量的个数，我们用位拼接把输入的两个1bit信号拼接成1个2bit信号
//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
assign pi_money = {pi_money_one, pi_money_half};
//第一段状态机，描述当前状态state如何根据输入跳转到下一状态
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
state <= IDLE; //任何情况下只要按复位就回到初始状态
else case(state)
IDLE : if(pi_money == 2'b01) //判断一种输入情况
state <= HALF;
else if(pi_money == 2'b10)//判断另一种输入情况
state <= ONE;
else
state <= IDLE;
HALF : if(pi_money == 2'b01)
state <= ONE;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= ONE_HALF;
else
state <= HALF;
ONE : if(pi_money == 2'b01)
state <= ONE_HALF;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= TWO;
else
state <= ONE;
ONE_HALF: if(pi_money == 2'b01)
state <= TWO;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= IDLE;
else
state <= ONE_HALF;
TWO : if((pi_money == 2'b01) || (pi_money == 2'b10))
state <= IDLE;
else
state <= TWO;
//如果状态机跳转到编码的状态之外也回到初始状态
default : state <= IDLE;
endcase
//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
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
po_cola <= 1'b0;
else if((state == TWO && pi_money == 2'b01) || (state == TWO &&
pi_money == 2'b10) || (state == ONE_HALF && pi_money == 2'b10))
po_cola <= 1'b1;
else
po_cola <= 1'b0;
//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
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
po_money <= 1'b0;
else if((state == TWO) && (pi_money == 2'b10))
po_money <= 1'b1;
else
po_money <= 1'b0;
endmodule