笔记连载精选|【状态机：一段式、二段式、三段式】【原理及verilog仿真】篇

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【状态机：一段式、二段式、三段式】【原理及verilog仿真】

作者：紫枫术河

本篇文章描述状态机的一段式、二段式、三段式区别

一、状态机

再次给出状态机的示意图：

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

二、一段式、二段式、三段式区别

根据状态机的结构，状态机描述方式可分为：一段式、二段式、三段式

1.1、一段式

整个状态机写到一个 always 模块里面。在该模块中既描述状态转移，又描述状态的输入和输出。

1.2、二段式

用两个 always 模块来描述状态机。

1.2.1、其中一个 always 模块采用同步时序描述状态转移；

1.2.2、另一个 always模块采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律及其输出，注意组合逻辑输出要用阻塞赋值。

1.3、三段式

在两个 always 模块描述方法基础上，使用三个 always 模块。

1.3.1、一个 always 模块采用同步时序描述状态转移；

1.3.2、一个 always 采用组合逻辑判断状态转移条件，描述状态转移规律，注意组合逻辑输出要用阻塞赋值；

1.3.3、另一个 always 模块描述状态输出(可以用组合电路输出，也可以时序电路输出)，注意组合逻辑输出要用阻塞赋值。

1.4、综合

可以看出两段式有限状态机与一段式有限状态机的区别是将时序部分（状态转移）和组合部分（判断状态转移条件和产生输出）分开，写为两个 always语句，即为两段式有限状态机。将组合部分中的判断状态转移条件和产生输出再分开写，则为三段式有限状态机。

三、自动售货机、一段式

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 endmodule

四、自动售货机、二段式

1.1、二段式，写法一

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; //--------------------二段式 1  ok--------------------------    //二段式状态机    reg [2:0]   c_status;    reg [2:0]   n_status;         //状态转移    always@(posedge clk,negedge rst_n)begin        if(!rst_n)            c_status <= ZERO;        else            c_status <= n_status;    end         //描述状态转移规律以及输出    always@(posedge clk,negedge rst_n)begin        if(!rst_n)            begin                n_status <= ZERO;                water <= 1'b0;                coin_back <= 1'b0;              end        else            case(c_status)                ZERO :                        begin                              water <= 1'b0;                            coin_back <= 1'b0;                                                      if(coin_half)                                n_status <= HALF;                            else if(coin_one)                                n_status <= ONE;                            else                                n_status <= ZERO;                        end                HALF :                        begin                              water <= 1'b0;                            coin_back <= 1'b0;                                                      if(coin_half)                                n_status <= ONE;                            else if(coin_one)                                n_status <= ONE_HALF;                            else                                n_status <= HALF;                           end                ONE :                          begin                              water <= 1'b0;                            coin_back <= 1'b0;                                                      if(coin_half)                                n_status <= ONE_HALF;                            else if(coin_one)                                n_status <= TWO;                            else                                n_status <= ONE;                                    end                ONE_HALF :                            begin                                  water <= 1'b0;                                coin_back <= 1'b0;                                                              if(coin_half)                                        n_status <= TWO;                                else if(coin_one)                                    begin                                        n_status <= ZERO;                                        water <= 1'b1;                                        coin_back <= 1'b0;                                      end                                else                                        n_status <= ONE_HALF;                               end                TWO :                          begin                              water <= 1'b0;                            coin_back <= 1'b0;                                                      if(coin_half)                                begin                                    n_status <= ZERO;                                    water <= 1'b1;                                    coin_back <= 1'b0;                                                                      end                            else if(coin_one)                                begin                                    n_status <= ZERO;                                    water <= 1'b1;                                    coin_back <= 1'b1;                                                                          end                            else                                n_status <= TWO;                                                                end                default:                            n_status <= ZERO;                                               endcase    end      endmodule

1.2、二段式，写法二

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; //---------------------二段式  2 ok--------------------------------------     //二段式状态机    reg [2:0]   status;         //状态转移    always@(posedge clk,negedge rst_n)begin        if(!rst_n)            status <= ZERO;        else            begin                case(status)                    ZERO :                            begin                                                          if(coin_half)                                    status <= HALF;                                else if(coin_one)                                    status <= ONE;                                else                                    status <= ZERO;                            end                    HALF :                            begin                                                          if(coin_half)                                    status <= ONE;                                else if(coin_one)                                    status <= ONE_HALF;                                else                                    status <= HALF;                             end                    ONE :                              begin                                                      if(coin_half)                                    status <= ONE_HALF;                                else if(coin_one)                                    status <= TWO;                                else                                    status <= ONE;                                          end                    ONE_HALF :                                begin                                                                  if(coin_half)                                            status <= TWO;                                    else if(coin_one)                                        begin                                            status <= ZERO;                                        end                                    else                                            status <= ONE_HALF;                                 end                    TWO :                              begin                                                          if(coin_half)                                    begin                                        status <= ZERO;                                                                     end                                else if(coin_one)                                    begin                                        status <= ZERO;                                                                         end                                else                                    status <= TWO;                                                                      end                    default:                                status <= ZERO;                                                 endcase                    end    end      //输出 时序逻辑    always@(posedge clk,negedge rst_n)begin        if(!rst_n)            begin                water <= 1'b1;                coin_back <= 1'b0;              end        else            case(status)                ONE_HALF:                            begin                                if(coin_one)                                    begin                                        water <= 1'b1;                                        coin_back <= 1'b0;                                    end                                else                                    begin                                        water <= 1'b0;                                        coin_back <= 1'b0;                                                                  end                            end                TWO:                            begin                                if(coin_half)                                    begin                                        water <= 1'b1;                                        coin_back <= 1'b0;                                    end                                else if(coin_one)                                    begin                                        water <= 1'b1;                                        coin_back <= 1'b1;                                                                  end                                else                                    begin                                        water <= 1'b0;                                        coin_back <= 1'b0;                                                                      end                            end                default:                            begin                                water <= 1'b0;                                coin_back <= 1'b0;                                                              end                    endcase    end endmodule

五、自动售货机、三段式

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;     //三段式状态机    reg [2:0]   c_status;    reg [2:0]   n_status;         //状态转移    always@(posedge clk,negedge rst_n)begin        if(!rst_n)            c_status <= ZERO;        else            c_status <= n_status;    end         //状态转移规律及状态输出,组合逻辑输出只与输入有关    //如果有n_status = n_status,电路会出错;    always@(*)begin        case(c_status)            ZERO :                    begin                          if(coin_half)                            n_status = HALF;                        else if(coin_one)                            n_status = ONE;                        else                            n_status = ZERO;                    end            HALF :                    begin                          if(coin_half)                            n_status = ONE;                        else if(coin_one)                            n_status = ONE_HALF;                        else                            n_status = HALF;                       end            ONE :                      begin                          if(coin_half)                            n_status = ONE_HALF;                        else if(coin_one)                            n_status = TWO;                        else                            n_status = ONE;                                end            ONE_HALF :                        begin                              if(coin_half)                                n_status = TWO;                            else if(coin_one)                                n_status = ZERO;                            else                                n_status = ONE_HALF;                                                               end            TWO :                      begin                          if(coin_half)                            n_status = ZERO;                        else if(coin_one)                            n_status = ZERO;                        else                            n_status = TWO;                            end            default:                        n_status = ZERO;                                           endcase            end     always@(posedge clk,negedge rst_n)begin        if(!rst_n)            begin                water = 1'b1;                coin_back = 1'b0;              end        else            case(c_status)                ONE_HALF:                            begin                                if(coin_one)                                    begin                                        water = 1'b1;                                        coin_back = 1'b0;                                    end                                else                                    begin                                        water = 1'b0;                                        coin_back = 1'b0;                                                                  end                            end                TWO:                            begin                                if(coin_half)                                    begin                                        water = 1'b1;                                        coin_back = 1'b0;                                    end                                else if(coin_one)                                    begin                                        water = 1'b1;                                        coin_back = 1'b1;                                                                  end                                else                                    begin                                        water = 1'b0;                                        coin_back = 1'b0;                                                                      end                            end                default:                            begin                                water = 1'b0;                                coin_back = 1'b0;                                                              end                    endcase    end     endmodule

六、仿真脚本

`timescale 1ns/1ps module auto_sell_tb;     reg     clk;    reg rst_n;    reg coin_one;    reg coin_half;         wire    water;    wire    coin_back;                   initial begin        clk = 0;        rst_n = 0;        coin_one = 0;        coin_half = 0;        #20;        rst_n = 1;        //延时200us        #10000                 //投2.5元        coin_half = 1;        #20;        coin_half = 0;        #20;                 coin_one = 1;        #20;           coin_one = 0;          #20;                         coin_half = 1;        #20;        coin_half = 0;        #20;                         coin_half = 1;        #20;        coin_half = 0;         #20;                         //延时200us        #10000                 //投3元        coin_half = 1;        #20;        coin_half = 0;        #20;                         coin_one = 1;        #20;           coin_one = 0;          #20;                         coin_half = 1;        #20;        coin_half = 0;        #20;                         coin_one = 1;        #20;           coin_one = 0;        #20;                         //延时200us        #10000         $stop;    end         auto_sell auto_sell_inst(        .clk            (clk),        .rst_n      (rst_n),        .coin_one   (coin_one),        .coin_half  (coin_half),             .water      (water),        .coin_back  (coin_back)    );         always #10 clk = ~clk; endmodule