FPGA-状态机

文章目录

  • 一、状态机的种类
    • 1. Moore型状态机
    • 2. Mealy型状态机
  • 二、状态机要素
  • 三、任务一
  • 四、任务二
  • 五、总结

任务要求:

1.根据以下描述功能用verilog编写一段代码,并用状态机来实现该功能。
(1)状态机:实现一个测试过程,该过程包括启动准备状态、启动测试、停止测试、查询测试结果、显示测试结果、测试结束返回初始化6个状态;用时间来控制该过程,90秒内完成该过程;
(2)描述状态跳转时间;
(3)编码实现。
2. 画出可以检测10010串的状态图, 并用verilog编程实现之。

一、状态机的种类

1. Moore型状态机

状态机的输出至于当前的状态有关,如下图所示。
FPGA-状态机_第1张图片

2. Mealy型状态机

状态机的输出不仅与当前的状态有关,还与当前的输入有关,如下图所示。
FPGA-状态机_第2张图片

二、状态机要素

1、FSM要安全,稳定性高(最重要,优先级最高),即FSM不会进入死循环,特别是不会进入非预知的状态,即要求FSM的综合实现结果无毛刺等扰动,要求状态机要完备;

2、FSM速度快,满足设计的频率要求;

3、FSM面积小,满足设计的面积要求;

4、FSM设计要清晰易懂,易维护。

三、任务一

  1. 状态流程图
    FPGA-状态机_第3张图片

  2. 说明

序号 状态 说明
S0 初始化状态(initial)
S1 准备状态(ready) 准备20秒钟
S2 启动状态(start) 经过15秒测试完成
S3 停止状态(stop) 经过10秒测试结束
S4 查询状态(search) 经过30秒测试结果查询
S5 结果状态(display) 显示10s测试结果
序号 时间 说明
C0 1s 到S1状态,led0亮
C1 21s 进入S2状态,led0,1亮
C2 36s 进入S3状态,led0,1,2 亮
C3 46s 进入S4状态,led0,1,2,3亮
C4 76s 进入S5结果显示状态 ,led0,1,2,3闪烁
C5 86s 返回S0初始化状态,led都灭
  1. 代码实现
module FSM1_1(
	input clk,
	input rst_n,
	
	output reg [3:0] led

);

parameter CNT_MAX=49_999_999;//1s
parameter LED_MAX=24_999_999;//0.5s
parameter TIMER_MAX=89; // 90s

reg [25:0] cnt;//计数时间,最大为1s
reg [24:0] led_cnt;//计数led闪烁间隔时间
reg [6:0] timer;//时间s为单位
reg [2:0] state;//当前状态

//6种状态
parameter S0=3'd0,
			 S1=3'd1,
			 S2=3'd2,
			 S3=3'd3,
			 S4=3'd4,
			 S5=3'd5;
//时间计数
always@(posedge clk, negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)begin
		cnt<=26'd0;
		timer<=7'd0;
	end
	else if(cnt==CNT_MAX)begin
		cnt<=26'd0;
		if(timer==TIMER_MAX)
			timer<=7'd0;
		else
			timer<=timer+7'd1;
	end
	else
		cnt<=cnt+25'd1;
end

//状态转换
always@(posedge clk, negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		state<=S0;
	else
		case(state)
			S0:begin//inital	
					if(timer==1)
						state<=S1;
					else
						state<=S0;
				end
			S1:begin//ready
					if(timer==21)
						state=S2;
					else
						state<=state;
				end
			S2:begin//start
					if(timer==36)
						state<=S3;
					else
						state<=state;
				end
			S3:begin//stop
					if(timer==46)
						state<=S4;
					else
						state<=state;
				end
			S4:begin//search
					if(timer==76)
						state<=S5;
					else
						state<=state;
				end
			S5:begin//display
					if(timer==86)
						state<=S0;
					else
						state<=state;
				end
			default:state<=S0;
		endcase
end


//led时间计数
always@(posedge clk, negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)begin
		led_cnt<=25'd0;
	end
	else if(led_cnt==LED_MAX)begin
		led_cnt<=25'd0;
	end
	else
		led_cnt<=led_cnt+25'd1;
end

//led转换
always@(posedge clk, negedge rst_n)begin
	if(!rst_n)
		led<=4'b0000;
	else
		case(state)
			S0:led<=4'b0000;
			S1:led<=4'b0001;
			S2:led<=4'b0011;
			S3:led<=4'b0111;
			S4:led<=4'b1111;
			S5:begin
					if(led_cnt==LED_MAX)
						led<=~led;
					else
						led<=led;
				end
			default:led<=4'b0000;
		endcase
end
endmodule

四、任务二

  1. 状态流程图
    FPGA-状态机_第4张图片

  2. 代码实现

module str_detector (
		input		 rst_n,
		input		 clk,
		input	    str,//输入
		
		output reg str_check //输出匹配结果
);
 

 
reg   [2:0]   curr_state ;
reg   [2:0]   Next_state ;
 
  parameter	str_idle  = 3'd0,					//起始
         	str_S1    = 3'd1,					//1 
  		      str_S2    = 3'd2,					//10 
  		      str_S3    = 3'd3,					//100
  		      str_S4    = 3'd4,					//1001
            str_S5    = 3'd5;                   //10010
 
always @(posedge clk or negedge rst_n)
 begin
   if (!rst_n)
     curr_state <= str_idle;
   else
     curr_state <= Next_state;
 end  
 
always @(*)
begin
  case(curr_state)
   str_idle:
     if (str==1)
       Next_state = str_S1; 
     else
       Next_state = str_idle;  
   str_S1:
     if (str==0)
       Next_state = str_S2; 
     else
       Next_state = str_S1;    
   str_S2:
     if (str==0)
       Next_state = str_S3; 
     else
       Next_state = str_S1;  
   str_S3:
     if (str==1)
       Next_state = str_S4; 
     else
       Next_state = str_idle;    
   str_S4:
     if (str==1)
       Next_state = str_S1; 
     else
       Next_state = str_S5;
   str_S5:
     if (str==1)
       Next_state = str_S1; 
     else
       Next_state = str_S3;        
   default:
       Next_state = str_idle;   
  endcase
end

 
always @(posedge clk or negedge rst_n)
begin
    if(!rst_n)   
	  str_check <= 1'b0;
	else if(curr_state==str_S5)
	  str_check <= 1'b1;
	else
	  str_check <= 1'b0;
end
 
endmodule	

五、总结

通过本次实验,更加深入的理解了状态机的实现原理,同时也熟悉了通过verilog编写状态机的代码实现流程。

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