FPGA基础——旅鼠游戏（FSM）

FSM（Finite State Machine）

分为2大类：

第一类，若输出只和状态有关而与输入无关，则称为Moore状态机

第二类，输出不只和状态有关并且和输入有关系，则称为Mealy状态机

Mealy状态机，常采用一段式写法，只用了一个always语句，全部的状态转移，判断状态转移条件，数据输出都在一个always语句里，缺点是若是状态太多，会使整段程序显的冗长。

Moore状态机，常采用三段式的写法，状态转移用了一个always语句，判断状态转移条件是组合逻辑always @(*)，采用了一个always语句，数据输出也是单独的 always语句，这样写起来比较直观清晰，状态不少时也不会显得繁琐。

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1. 旅鼠游戏介绍

　　在《旅鼠》这款游戏中，小动物的大脑至关简单。简单到咱们要用一个有限状态机来创建模型。在《旅鼠》的2D世界中，旅鼠可能会处于两种状态之一:向左走或向右走。若是碰到障碍物，它会改变方向。特别是，若是一只旅鼠被撞到左边，它就会向右走。若是它在右边被撞到，它就会向左走。若是它同时在两边碰撞，它仍然会改变方向。

                                                    

 

 

　　实现一个Moore状态机，它有两个状态、两个输入和一个输出来模拟这种行为。

 

 1 module top_module (  2     input clk,  3     input areset,　　　　//异步复位  4     input bump_left,　　  5     input bump_right,  6     output walk_left,  7     output walk_right  8 );  9 
10     
11     // 状态参数设置，常见：二进制码、格雷码、独热码、BCD码
12     parameter WL=0, WR=1; 13     reg state;　　//当前状态 14     reg next;　　 //下个状态　 15     
16     
17     // Combinational always block for state transition logic. Given the current state and inputs, 18     // what should be next state be? 19     // Combinational always block: Use blocking assignments. 
20     always@(*) begin
21         case (state) 22             WL: next = bump_left  ? WR : WL; 23             WR: next = bump_right ? WL : WR; 24         endcase
25     end
26     
27     
28     // Combinational always block for state transition logic. Given the current state and inputs, 29     // what should be next state be? 30     // Combinational always block: Use blocking assignments. 
31     always @(posedge clk, posedge areset) begin
32         if (areset) state <= WL; 33         else state <= next; 34     end
35         
36         
37     // 输出组合逻辑。 38     // In more complex circuits, a combinational always block may be more suitable. 
39     assign walk_left = (state==WL); 40     assign walk_right = (state==WR); 41 
42     
43 endmodule

 2.旅鼠游戏补充

除了左右行走，旅鼠还会在地面消失时摔倒(可能会发出“啊!”的声音)。除了左右行走和颠簸时改变方向外，当地面=0时，旅鼠还会摔倒并说“啊!”当地面从新出现(地面=1)时，旅鼠会继续沿著坠落前的方向行走。摔倒时被撞不会影响行走方向，在地面消失(但尚未摔倒)的同一周期内被撞，或摔倒时地面从新出现，也不会影响行走危难。

 

 

除了行走和跌倒，有时候还会让旅鼠作一些有用的事情，好比挖(当挖=1时它就开始挖了)。若是旅鼠正在地面上行走(地面=1而且没有掉下来)，它能够继续挖掘，直到它到达另外一边(地面=0)。在这一点上，由于没有地面，它会掉下来(啊!)，而后在它再次撞击地面时继续朝原来的方向走。就像摔倒同样，在挖的时候被撞到是没有影响的，在摔倒或没有地面的时候被告知挖也被忽略了。

 

 

 

 

虽然旅鼠能够走路、摔倒和挖洞，但旅鼠并不是无懈可击。若是旅鼠跌倒的时间过长就会撞到地面，它可能会GG。特别是，若是旅鼠跌倒超过20个时钟周期，而后击中地面，它将GG和中止行走，掉落，或挖掘(全部4个输出变成0)，永远(或直到FSM重置)。旅鼠在落地前坠落的距离没有上限。旅鼠只有在撞击地面时才会GG;它们不会在半空中GG。

                                                    

 

 

 1 module top_module(  2     input clk,  3     input areset,    // Freshly brainwashed Lemmings walk left.
 4     input bump_left,  5     input bump_right,  6     input ground,  7     input dig,  8     output walk_left,  9     output walk_right, 10     output aaah, 11     output digging ); 12     parameter LEFT = 4'd0, RIGHT = 4'd1, FALL_L = 4'd2, FALL_R = 4'd3; 13     parameter DIG_L = 4'd4, DIG_R = 4'd5, DYING = 4'd6, SPLAT = 4'd7; 14     reg    [3:0] current_state; 15     reg [3:0] next_state; 16     reg cnt_start; 17     reg [4:0]cnt_fall; 18     
19     always@(posedge clk or posedge areset)begin
20         if(areset)begin
21             current_state <= LEFT; 22         end
23         else begin
24             current_state <= next_state; 25         end
26     end
27     
28     always@(*)begin
29         case(current_state) 30             LEFT:begin
31                 next_state = ground ? (dig ? DIG_L : (bump_left ? RIGHT : LEFT)) : FALL_L; 32             end
33             RIGHT:begin
34                 next_state = ground ? (dig ? DIG_R : (bump_right ? LEFT : RIGHT)) : FALL_R; 35             end
36             FALL_L:begin
37                 next_state = ground ? LEFT : ((cnt_fall==5'd20)?DYING:FALL_L);
38             end
39             FALL_R:begin
40                 next_state = ground ? RIGHT : ((cnt_fall==5'd20)?DYING:FALL_R);
41             end
42             DIG_L:begin
43                 next_state = ground ? DIG_L : FALL_L; 44             end
45             DIG_R:begin
46                 next_state = ground ? DIG_R : FALL_R; 47             end
48             DYING:begin
49                 next_state = ground ? SPLAT : DYING; 50             end
51             SPLAT:begin
52                 next_state = SPLAT; 53             end
54             default:begin
55                 next_state = LEFT; 56             end
57         endcase
58     end    
59     
60     always@(posedge clk or posedge areset)begin
61         if(areset) 62             cnt_fall <= 0; 63         else if(cnt_start) 64             cnt_fall <= cnt_fall+1'b1;
65         else
66             cnt_fall <= 0; 67     end
68 
69     assign cnt_start = (next_state==FALL_L) || (next_state==FALL_R); 70     
71     assign walk_left = (current_state == LEFT); 72     assign walk_right = (current_state == RIGHT); 73     assign digging = (current_state == DIG_L || current_state == DIG_R); 74     assign aaah = (current_state == FALL_L || current_state == FALL_R || current_state == DYING); 75 
76 endmodule