题目：以可乐机为背景，一瓶可乐的价格还是 2.5 元。用按键控制投币（加入按键消抖功能），可以投 0.5 元硬币和 1 元硬币，投入 0.5 元后亮一个灯，投入 1 元后亮 2 个灯，投入 1.5 元后亮 3 个灯，投入 2 元后亮 4 个灯，如果投币后 10s 不再继续进行投币操作则可乐机回到初始状态。投入 2.5 元后出可乐不找零，此时 led 灯实现单向流水操作，流水10s后自动停止；投入 3 元后出可乐找零，此时 led 灯实现双向流水操作，流水 10s 后自动停止。有复位键，其功能是终止本次投币操作，使可乐机立刻回到初始状态。
套用三要素法来分析:
输入：不投币、投入 0.5 元硬币、投入 1 元硬币；
输出：不出可乐/不找零、出可乐/不找零、出可乐/找零；
状态：可乐机中有 0 元、可乐机中有 0.5 元、可乐机中有 1 元、可乐机中有 1.5 元、可乐机中有 2 元、可乐机中有 2.5 元、可乐机中有 3 元。
1. 模块框图
2. 状态转换图
3. RTL代码
3.1 按键消抖部分
实现按键消抖，注意有两个输入故调用两次。效果为当检查到按键被按下后，输出的key_flag被拉高一个时钟，作为标志信号输入给下一个模块。
`timescale 1ns/1ns
module key_filter
#(
parameter CNT_MAX = 20'd999_999
)
(
input wire sys_clk ,
input wire sys_rst_n ,
input wire key_in ,
output reg key_flag
);
reg [19:0] cnt_20ms ; //计数器
//cnt_20ms:如果时钟的上升沿检测到外部按键输入的值为低电平时，计数器开始计数
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
cnt_20ms <= 20'b0;
else if(key_in == 1'b1)
cnt_20ms <= 20'b0;
else if(cnt_20ms == CNT_MAX && key_in == 1'b0)
cnt_20ms <= cnt_20ms;
else
cnt_20ms <= cnt_20ms + 1'b1;
//key_flag:当计数满20ms后产生按键有效标志位
//且key_flag在999_999时拉高,维持一个时钟的高电平
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
key_flag <= 1'b0;
else if(cnt_20ms == CNT_MAX - 1'b1)
key_flag <= 1'b1;
else
key_flag <= 1'b0;
endmodule
3.2 complex_fsm部分
实现随着状态切换后小灯的各种显示效果。注意影响状态切换的条件除了投币还有10s有效时间。使用两类均采用时序逻辑的 always 块，第一类 always 块描述状态(state)的转移为第一段状态机，第二类 always 块描述数据的输出为第二段状态机，所以写状态机一般则采用两段式。
总结一下套用的格式有哪些主要部分构成：第一部份端口列表部分； 第二部份状态编码部； 第三部份是定义的状态变量； 第四部份分为第一段状态机和第二段状态机。一共有四部分，写状态机代码的时候根据这种格式依次编写，非常容易的就可以实现。
`timescale 1ns/1ns
module complex_fsm
#(
parameter CNT_MAX = 25'd24_999_999, //0.5s定时器计时
parameter CNT_KEY = 20'd999_999 //20ns按键稳定状态
)
(
input wire sys_clk ,
input wire sys_rst_n ,
input wire pi_money_one , //投币1元
input wire pi_money_half , //投币0.5元
output reg [3:0] led
);
//只有七种状态，使用独热码
parameter IDLE = 7'b0000001;
parameter HALF = 7'b0000010;
parameter ONE = 7'b0000100;
parameter ONE_HALF = 7'b0001000;
parameter TWO = 7'b0010000;
parameter TWO_HALF = 7'b0100000;
parameter THREE = 7'b1000000;
reg [6:0] state ;
reg [3:0] led_a ;
reg [3:0] led_b ;
reg [3:0] led_c ;
reg [24:0] cnt ;
reg [4:0] cnt_10s = 5'd21;
reg move ;
reg po_money ;
reg po_cola ;
wire [1:0] pi_money;
wire po_money_half;
wire po_money_one ;
wire cola_flag;
//pi_money:为了减少变量的个数，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 = {po_money_one, po_money_half};
//满足出可乐条件的所有情况
assign cola_flag = (state == TWO && pi_money == 2'b01) || (state == TWO &&
pi_money == 2'b10) || (state == ONE_HALF && pi_money == 2'b10);
//第一段状态机，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;
else case(state)
IDLE : if(pi_money == 2'b01) //有几个输入就有几种跳转情况
state <= HALF;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= ONE;
else
state <= IDLE;
HALF : if(pi_money == 2'b01)
state <= ONE;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= ONE_HALF;
else if(cnt_10s == 5'd20)
state <= IDLE;
ONE : if(pi_money == 2'b01)
state <= ONE_HALF;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= TWO;
else if(cnt_10s == 5'd20)
state <= IDLE;
ONE_HALF: if(pi_money == 2'b01)
state <= TWO;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= TWO_HALF;
else if(cnt_10s == 5'd20)
state <= IDLE;
TWO : if(pi_money == 2'b01)
state <= TWO_HALF;
else if(pi_money == 2'b10)
state <= THREE;
else if(cnt_10s == 5'd20)
state <= IDLE;
TWO_HALF: if(cnt_10s == 5'd20) //10秒没有投币
state <= IDLE;
else if(pi_money == 2'b01) //继续投币 0.5元
state <= HALF;
else if(pi_money == 2'b10) //继续投币 1元
state <= ONE;
THREE : if(cnt_10s == 5'd20) //10秒没有投币
state <= IDLE;
else if(pi_money == 2'b01) //继续投币 0.5元
state <= HALF;
else if(pi_money == 2'b10) //继续投币 1元
state <= ONE;
default : state <= IDLE;
endcase
//第二段状态机，cnt:计数器计数 500ms
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
cnt <= 25'b0;
else if(cnt == CNT_MAX)
cnt <= 25'b0;
else if(cnt_10s != 5'd21) //开始计时
cnt <= cnt + 1'b1;
//第二段状态机，10s计数器
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
cnt_10s <= 5'd21;
else if((pi_money != 2'd0) //开始计时
cnt_10s <= 5'd0;
else if(cnt == CNT_MAX)
cnt_10s <= cnt_10s + 1'b1;
else if(cnt_10s == 5'd20)
cnt_10s <= 5'd0 ;
//第二段状态机，led_a:投币控制led状态
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
led_a <= 4'b1111;
else if(state == TWO)
led_a <= 4'b0000;
else if(state == ONE_HALF)
led_a <= 4'b0001;
else if(state == ONE)
led_a <= 4'b0011;
else if(state == HALF)
led_a <= 4'b0111;
else if(state == IDLE)
led_a <= 4'b1111;
//第二段状态机，led_b:led 单向循环流水
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
led_b <= 4'b0001;
else if(led_b == 4'b1000 && cnt == CNT_MAX)
led_b <= 4'b0001;
else if(cnt == CNT_MAX)
led_b <= led_b << 1'b1; //左移
//第二段状态机，led_c:led双向循环流水
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
led_c <= 4'b0001;
else if(move == 1'b0 && cnt == CNT_MAX)
led_c <= led_c >>1'b1; //右移
else if(move == 1'b1 && cnt == CNT_MAX)
led_c <= led_c <<1'b1; //左移
else
led_c <= led_c ;
//led循环流水使能信号
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
move <= 1'b0;
else if(led_c == 4'b1000)
move <= 1'b0;
else if(led_c == 4'b0001)
move <= 1'b1;
//根据状态机控制led状态
always@(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n)
if(sys_rst_n == 1'b0)
led <= 4'b1111;
else if((state == THREE)&&(cnt_10s != 5'd20))
led <= led_c;
else if((state == TWO_HALF)&&(cnt_10s != 5'd20))
led <= led_b;
else
led <=~led_a;
//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(cola_flag == 1'b1)
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;
//分别调用两个按键模块
key_filter
#(
.CNT_MAX(CNT_KEY)
)
key_filter_inst1
(
.sys_clk (sys_clk ),
.sys_rst_n (sys_rst_n ),
.key_in (pi_money_half ),
.key_flag (po_money_half )
);
key_filter
#(
.CNT_MAX(CNT_KEY)
)
key_filter_inst2
(
.sys_clk (sys_clk ),
.sys_rst_n (sys_rst_n ),
.key_in (pi_money_one),
.key_flag (po_money_one)
);
endmodule
5. 总结
1. 编写状态机的步骤，格式。
2. 如何绘制状态转换图，抓住“三要素”。
3. 处理LED输出按显示效果分类后输出。
