FPGA实验三：状态机的设计

一、实验目的

二、实验要求

三、实验代码

1.design source文件部分代码

2.测试文件代码

四、实验结果及分析

1、引脚锁定

2、仿真波形及分析

（1）设计好序列检测器

（2）仿真波形（检测11010）

3、下载测试结果及分析（检测11011）

五、实验心得

1.关于实验设计过程中遇到的困难与解决心得

2.实验完成的心得

一、实验目的

（1）掌握序列发生和检测的工作原理；

（2）掌握时序电路中状态机的应用；

（3）掌握用Verilog语言实现复杂时序电路的设计过程。

二、实验要求

设计序列发生和检测器：

（1）先实现串行序列发生器的设计，产生序列0111010011011010；再设计检测器，若检测到串行序列11010则输出为“1”，否则输出为“0”，并对其进行仿真和硬件测试，选择实验电路验证功能；

（2）下载程序后，可通过一个led灯串行输出序列信号，另用五个led灯来观测待检测序列，当11010五个全部出现在led上时，标识位灯M亮起，说明检测到“11010” 的信号，即符合设计要求。

产生的序列和检测的序列值（仿真验收后老师现场指定11011后完成二次验收）。

发生器和检测器最好异步，以确保能检测到，可以将时钟经非门后再接入检测器。

三、实验代码

1.design source文件部分代码

（注：为了提高实验报告的美观性，在格式符合要求的情况下，我对所有的代码进行了高亮处理）

`timescale 1ns / 1ps
module zhuangtaiji(
//模块输入输出
    input clk, // 时钟信号
    input set,
    input rst_n,
 output reg result,
 output reg seq_out, // 序列输出
    output reg led,//一整个序列输出后输出
    output reg [7:0]STate
    );
reg [3:0] state; // 状态寄存器
reg [30:0]fenpin = 0;
reg din_vld;
// 定义各种状态
parameter S0 = 4'b0000;
parameter S1 = 4'b0001;
parameter S2 = 4'b0010;
parameter S3 = 4'b0011;
parameter S4 = 4'b0100;
parameter S5 = 4'b0101;
parameter S6 = 4'b0110;
parameter S7 = 4'b0111;
parameter S8 = 4'b1000;
parameter S9 = 4'b1001;
parameter S10 = 4'b1010;
parameter S11 = 4'b1011;
parameter S12 = 4'b1100;
parameter S13 = 4'b1101;
parameter S14 = 4'b1110;
parameter S15 = 4'b1111;

parameter ST0 = 8'b000_00000;
parameter ST1 = 8'b001_00001;
parameter ST2 = 8'b010_00011;
parameter ST3 = 8'b011_00110;
parameter ST4 = 8'b100_01101;
parameter ST5 = 8'b101_11011;
initial begin
 state<=S0;
 STate<=ST0;
end
// 下面是状态转移逻辑
always @(posedge clk) begin
    if(~rst_n)//异步清零
        begin
        state<=S0;
        STate<=ST0;
        end
    if(set)
    begin
    //if(fenpin==50000000)
 begin
    case(state)
        S0: begin
            led <=0;
            state <= S1;
            seq_out = 1'b1;
            din_vld = seq_out;
        end
        S1: begin
            state <= S2;
            seq_out = 1'b1;
            din_vld = seq_out;
        end
        S2: begin
            state <= S3;
            seq_out = 1'b0;
            din_vld = seq_out;
        end
        S3: begin
            state <= S4;
            seq_out = 1'b1;
            din_vld = seq_out;
        end
        S4: begin
            state <= S5;
            seq_out = 1'b1;
            din_vld = seq_out;
        end
        S5: begin
            state <= S6;
            seq_out= 1'b0;
            din_vld = seq_out;
        end
        S6: begin
            state <= S7;
            seq_out = 1'b1;
            din_vld = seq_out;
        end
        S7: begin
            state <= S8;
            seq_out = 1'b1;
            din_vld = seq_out;
        end
        S8: begin
            state <= S9;
            seq_out = 1'b0;
            din_vld = seq_out;       
        end
        S9: begin
            state <= S10;
            seq_out = 1'b1;
            din_vld = seq_out;
        end
        S10: begin
            state <= S11;
            seq_out = 1'b1;
            din_vld = seq_out;
        end
        S11: begin
            state <= S12;
            seq_out = 1'b0;
            din_vld = seq_out;
        end
        S12: begin
            state <= S13;
            seq_out = 1'b1;
            din_vld = seq_out;
        end
        S13: begin
            state <= S14;
            seq_out = 1'b1;
            din_vld = seq_out;
        end
        S14: begin
            state <= S15;
            seq_out = 1'b0;
            din_vld = seq_out;
        end
        S15: begin
            state <= S0;
            seq_out = 1'b1;
            led <=1; 
            din_vld = seq_out;
        end
    endcase
endmodule

2.测试文件代码

`timescale 1ns / 1ps
module testbench()；
reg  clk;
reg  rst_n;
reg set;
wire result;
wire led;
wire seq_out;
wire [7:0]STate;
initial begin
 clk   = 1'b0;
 rst_n   = 1'b0;
 set = 1'b1;
 #100
 rst_n   = 1'b1;
end
 
always #10 clk = ~clk; //10MHz
zhuangtaiji U(
.clk(clk),
.rst_n(rst_n),
.set(set),
.result(result),
.led(led),
.seq_out(seq_out),
.STate(STate))；
end module

四、实验结果及分析

1、引脚锁定

set_property PACKAGE_PIN R2 [get_ports set]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports set]

set_property PACKAGE_PIN T1 [get_ports rst_n]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports rst_n]

set_property PACKAGE_PIN W5 [get_ports clk]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]

create_clock -add -name sys_clk_pin -period 10.00 -waveform {0 5} [get_ports clk]

set_property PACKAGE_PIN L1 [get_ports seq_out]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports seq_out]

set_property PACKAGE_PIN P1 [get_ports led]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports led]

set_property PACKAGE_PIN U16 [get_ports result]

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports result]

2、仿真波形及分析

（1）设计好序列检测器

首先要理清不同信号输入时检测器应处于的工作状态及下一时刻的位置，故先行绘制出序列检测状态转移图

（2）仿真波形（检测11010）

如上图所示，在使能端rst_n有效后后，出现序列“11010”时，输出位result显示了检测结果，图中所截选的序列出现了三次“11010”，result都进行了输出。验证了设计的正确性。

3、下载测试结果及分析（检测11011）

由于仿真检测的序列为11010，而上板子进行实验时老师指定的序列为11011

首先展示仿真波形

很明显，使能端有效后，当seq_out序列出现11011时，输出位result为1；不仅如此，由于序列11011011011……的特殊性，在同一段序列中，待检测序列会相隔很近的出现两次。观察波形可知，程序对两次检测序列都完成了检测和输出。

开发板实验结果：

第一个led灯显示序列，亮灯为1，熄灭为0；中间五个连续的led等表示的是测试序列的五个连续数字，最后一个led表示若检测到待检测序列，则进行输出。

如图，五个序列显示的是待检测序列11011，输出位亮灯，功能设计成功！

五、实验心得

1.关于实验设计过程中遇到的困难与解决心得

（1）序列检测器不能连续检测“11011”。

解决方法：观察仿真结果，发现是因为每次成功检测完序列后检测器直接清零了，回看程序，是因为没有对检测完“11011”序列后的状态转移做出设计，只要补上这一段程序，并且正确转移状态，就可以连续检测序列并成功输出。

（2）检测成功的信号不能与 11011 的序列同时输出。

解决方法：与原序列相比较不能同时输出，所以设计序列 s，比原序列晚一个时钟信号输入序列，就可以转换为并行输出。在仿真结果中将 s 与 m 放在一起，容易观察结果。

2.实验完成的心得

本次实验接触到了一个新的内容——状态机的设计。理解状态机的转换，用状态机设计序列检测器，原理清晰设计具有条理，是一种很棒的设计方法，而且对状态转移图的绘制也十分有趣。除了一些代码设计上的问题，功能实现方面遇到的困难就是上述的两点，好在最后也得到了解决，也理解了这块内容为何如此设计。与直白的语言描述相比，一些附有技巧性的程序设计不仅大大缩短了代码长度，还能更好地完成目标功能，每次看见崭新的程序写法，都觉得自己学习的路途仍旧遥远。每一次实验的完成，都是一段新的学习旅程。之后的实验应该越来越复杂，涉及到的内容及功能实现也越来越多，但我们应仍保持最初的热情，勇于接受挑战、学习知识。

总之，状态机的设计实验是一项非常重要的电路设计实践项目，在这个实验中，我深刻地认识到了状态机对于硬件电路设计中的重要性，并且也加深了我对Verilog HDL编程语言的理解。

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