状态机实验_两段式状态机描述 []

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|  V1.0  |  2020-07-01  |  gingko  |  初次建立  | 

===== 实验七：状态机实验——两段状态机描述 =====

==== 一、 实验目的与意义 ====

  - 掌握两段式状态机的描述方法。
  - 掌握宏定义、参数变量的使用方法。
  - 掌握QuartusII的使用方法。
==== 二、 实验设备及平台 ====

  - iCore4 双核心板。
  - Blaster（或相同功能）仿真器。
  - Micro USB线缆。
  - QuartusII开发平台。
  - 电脑一台。
==== 三、 实验原理 ====

  * 状态机是一种设计思想，通常由组合逻辑和寄存器两部分组成。寄存器用于存储状态，组合逻辑完成状态译码和产生输出信号。状态机的组成有3各基本要素：状态、输入和输出。其中状态是用来划分逻辑顺序和时序规律的变量；输入指的是状态机进入每个状态的条件；输出指的是在某种状态下发生的事件。
  * 描述状态机关键是要描述清楚状态机的三个要素，即如何进行状态转移、每个状态的输出是什么、状态转移的条件是什么等。在Verilog硬件描述时，状态机有3种常用的描述方法：一段式、二段式和三段式。
  * 二段式状态机的整个功能由两个模块完成，一个always模块采用同步时序的方法描述状态转移，另一个模块采用组合逻辑的方式判断状态转移条件，描述状态转移规律，两者结合功能完成状态机功能。
  * 二段式与一段式状态机相比，将同步时序和组合逻辑分别放在不同的always模块中，不仅便于阅读、理解、维护，更重要的是利于综合器优化代码，利于用户添加合适的时序约束条件，利于布局布线实现设计。在二段式描述中，常采用组合逻辑描述状态的输出，这种组合逻辑有产生毛刺的可能性，且不利于约束，这也是二段式描述的缺点。
  * 本实验以实验二按键实验的程序为例，即使用按键控制LED状态的转移。依次按下按键三色LED灯会按照红、绿、蓝、红……的顺序依次点亮。以按键信号的下降沿作为状态转移的触发信号来实现状态跳转，通过状态跳转改变三色led的状态。在其中一个always模块采用同步时序描述状态转移，在另一个模块中判断状态转移条件、描述状态转移的规律，在最后一个模块中描述led输出状态，实现控制led。
==== 四、 代码讲解 ====

  * 本实验状态机的主要功能是通过状态切换实现按键控制led颜色切换的功能，led_cnt=0状态，点亮红灯；按键按下，状态跳转到led_cnt=1状态，点亮绿灯；按键按下，状态跳转到led_cnt=2状态，点亮蓝灯；以此循环实现按键控制三色led灯的切换。其代码如下：
<code verilog>
//控制led亮灭的状态机
//状态机流程，上电复位后进入空闲状态，并点亮红色led，然后等待按键按下
//当检测到按键的下降沿时，led_cnt加1，加至2时，清零，并依此循环
//依此来实现按键控制三色led状态切换的功能
reg [1:0]led_cnt;//led_cnt三个状态，0、1、2，代表三色led的红、绿、蓝
reg ledr,ledg,ledb;    

//状态跳转逻辑设计always块，检测到按键下降沿，切换led_cnt值 
always@(negedge key_state or negedge rst_n)	 
	if (!rst_n)
	    begin
		led_cnt <= 2'd0;
	    end
	else if (led_cnt == 2'd2)
	    begin
		led_cnt <= 2'd0;
	    end
	else led_cnt <= led_cnt + 1'd1;
        
//逻辑输出,根据led_cnt来切换led状态
 always@(posedge clk_25m or negedge rst_n)		
	if (!rst_n)
	    begin
		ledr <= 1'd1;
		ledg <= 1'd1;
		ledb <= 1'd1;
	    end
	else case(led_cnt)
		2'd0:	        //红灯亮				
			begin
				ledr <= 1'd0;
				ledg <= 1'd1;
				ledb <= 1'd1;
			end
		2'd1:		//绿灯亮				
			begin
				ledr <= 1'd1;
				ledg <= 1'd0;
				ledb <= 1'd1;
			end
		2'd2:		//蓝灯亮		
			begin
				ledr <= 1'd1;
				ledg <= 1'd1;
				ledb <= 1'd0;
			end
		default:	//都不亮
			begin
				ledr <= 1'd1;
				ledg <= 1'd1;
				ledb <= 1'd1;
			end
		endcase	
</code>		
==== 五、 实验步骤及实验结果 ====
{{ :icore4:icore4_fpga_6_2.jpg?direct |图7-1}}
  - 将硬件正确连接，如图7-1所示。
  - 将编写好的代码进行编译，并下载到开发板中；
  - 观察实验现象——依次按下按键，三色led灯状态按红、绿、蓝、红……切换。
==== 六、 拓展实验 ====

  - 通过Signaltap II采样led_cnt信号和led输出信号，观察信号变化。
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