HDLBits刷题合集—16 Finite State Machines-2 Lemmings
HDLBits-129 Lemmings1
Problem Statement
Lemmings游戏涉及具有简单大脑的生物。 如此简单以至于我们将使用有限状态机对其进行建模。
在Lemmings的2D世界中，Lemmings可以处于以下两种状态之一：向左行走或向右行走。 如果碰到障碍物，它将切换方向。 特别是，如果Lemmings在左侧发生碰撞，它将向右行走。 如果它撞到右边，它将向左走。 如果同时在两侧碰撞，它将仍然会切换方向。
用两个状态，两个输入和一个输出对此行为进行建模，以实现Moore型状态机。
hint里给出了状态转换图，如下所示：
代码如下：
module top_module(
input clk,
input areset, // Freshly brainwashed Lemmings walk left.
input bump_left,
input bump_right,
output walk_left,
output walk_right); //
parameter LEFT=0, RIGHT=1;
reg[1:0] state, next_state;
always @(*) begin
// State transition logic
case (state)
LEFT: next_state <= bump_left ? RIGHT : LEFT;
RIGHT: next_state <= bump_right ? LEFT : RIGHT;
endcase
end
always @(posedge clk, posedge areset) begin
// State flip-flops with asynchronous reset
if (areset)
state <= LEFT;
else
state <= next_state;
end
// Output logic
assign walk_left = (state == LEFT);
assign walk_right = (state == RIGHT);
endmodule
HDLBits-130 Lemmings2
Problem Statement
另请参阅：Lemmings1。
除了左右走动之外，如果地面在它们下面消失，它们将掉落（可能会喊“aaah!”）。
除了在碰撞时左右走动和改变方向外，当ground= 0时，旅鼠也会掉下来并说“ aaah！”。 当地面重新出现时（ground= 1），旅鼠将恢复与跌倒之前相同的方向行走。 跌倒时被撞击不会影响步行方向，并且与地面消失（但尚未坠落）的周期相同，或者当地面重新出现时仍在坠落，也不会影响步行方向。
构建对此行为进行建模的有限状态机。
状态转换图如下所示：
代码如下：
module top_module(
input clk,
input areset, // Freshly brainwashed Lemmings walk left.
input bump_left,
input bump_right,
input ground,
output walk_left,
output walk_right,
output aaah );
parameter LEFT = 0, RIGHT = 1, FALL_L = 2, FALL_R = 3;
reg [2:0] state, state_next;
always @(*) begin
case (state)
LEFT : begin
if (ground)
state_next <= bump_left ? RIGHT : LEFT;
else
state_next <= FALL_L;
end
RIGHT : begin
if (ground)
state_next <= bump_right ? LEFT : RIGHT;
else
state_next <= FALL_R;
end
FALL_L : begin
if (ground)
state_next <= LEFT;
else
state_next <= FALL_L;
end
FALL_R : begin
if (ground)
state_next <= RIGHT;
else
state_next <= FALL_R;
end
endcase
end
always @(posedge clk, posedge areset) begin
if (areset)
state <= LEFT;
else
state <= state_next;
end
assign walk_left = (state == LEFT);
assign walk_right = (state == RIGHT);
assign aaah = (state == FALL_R) | (state == FALL_L);
endmodule
HDLBits-131 Lemmings3
Problem Statement
另请参阅：Lemmings1和Lemmings2。
除了走路和摔倒之外，有时还可以要求Lemmings做一些有用的事情，例如挖掘（当dig = 1时就开始挖掘）。 如果一只Lemming目前正在地面上行走（ground= 1且没有掉落），它可以进行挖掘，并将继续挖掘直到到达另一侧（ground= 0）。 此时，由于没有地面，它将坠落（aaah！），然后一旦再次撞击地面，便继续沿其原始方向行走。 与掉落一样，在挖掘过程中发生碰撞无效，而在掉落或没有地面时被告知挖掘则被忽略。
（换句话说，行走的旅鼠会掉落，挖掘或切换方向。如果满足以上条件之一，则下降优先级高于挖掘，下降优先级高于切换方向。）
扩展上面的有限状态机以对这种行为进行建模。
状态转换图如下所示：
代码如下：
module top_module(
input clk,
input areset, // Freshly brainwashed Lemmings walk left.
input bump_left,
input bump_right,
input ground,
input dig,
output walk_left,
output walk_right,
output aaah,
output digging );
parameter left=0, right=1, left_ground =2, right_ground=3, left_dig=4, right_dig=5;
reg [2:0] state, state_next;
always @(*) begin
case (state)
left : begin
if (ground) begin
if (dig)
state_next <= left_dig;
else
state_next <= bump_left ? right : left;
end
else
state_next <= left_ground;
end
right : begin
if (ground) begin
if (dig)
state_next <= right_dig;
else
state_next <= bump_right ? left : right;
end
else
state_next <= right_ground;
end
left_ground : begin
if (ground)
state_next <= left;
else
state_next <= left_ground;
end
right_ground : begin
if (ground)
state_next <= right;
else
state_next <= right_ground;
end
left_dig : begin
if (ground)
state_next <= left_dig;
else
state_next <= left_ground;
end
right_dig : begin
if (ground)
state_next <= right_dig;
else
state_next <= right_ground;
end
endcase
end
always @(posedge clk, posedge areset) begin
if (areset)
state <= left;
else
state <= state_next;
end
assign walk_left = (state == left);
assign walk_right = (state == right);
assign aaah = (state == left_ground) | (state == right_ground);
assign digging = (state == left_dig) | (state == right_dig);
endmodule
HDLBits-132 Lemmings4
Problem Statement
另请参阅：Lemmings1，Lemmings2和Lemmings3。
尽管Lemmings可以行走，掉落和挖土，但Lemmings并不是无敌的。 如果Lemmings掉落的时间过长，然后撞到地面，它可能会飞溅。 特别是，如果Lemming掉落超过20个时钟周期然后撞到地面，它将永久飞溅（并且直到4个输出变为0）（或直到FSM复位），然后停止行走，掉落或挖掘（全部4个输出变为0）。 旅鼠在撞上地面之前可以跌落的距离没有上限。 只在撞到地面时会飞溅； 他们不会在空中飞溅。
扩展之前的有限状态机以对这种行为进行建模。
下降20个周期是可以生存的：
下降21个周期会导致飞溅：
状态转换图如下所示：
代码如下：
module top_module(
input clk,
input areset, // Freshly brainwashed Lemmings walk left.
input bump_left,
input bump_right,
input ground,
input dig,
output walk_left,
output walk_right,
output aaah,
output digging );
parameter left=3'd0, right=3'd1, falll=3'd2, fallr=3'd3, digl=3'd4, digr=3'd5, splat=3'd6;
reg [2:0] state, next_state;
reg [31:0] count;
always@(posedge clk or posedge areset) begin
if(areset)
state <= left;
else if(state == falll || state == fallr) begin
state <= next_state;
count <= count + 1;
end
else begin
state <= next_state;
count <= 0;
end
end
always@(*) begin
case(state)
left: begin
if(~ground) next_state = falll;
else if(dig) next_state = digl;
else if(bump_left) next_state = right;
else next_state = left;
end
right: begin
if(~ground) next_state = fallr;
else if(dig) next_state = digr;
else if(bump_right) next_state = left;
else next_state = right;
end
falll: begin
if(ground) begin
if(count>19) next_state = splat;
else next_state = left;
end
else next_state = falll;
end
fallr: begin
if(ground) begin
if(count>19) next_state = splat;
else next_state = right;
end
else next_state = fallr;
end
digl: begin
if(ground) next_state = digl;
else next_state = falll;
end
digr: begin
if(ground) next_state = digr;
else next_state = fallr;
end
splat: begin
next_state = splat;
end
endcase
end
assign walk_left = (state == left);
assign walk_right = (state == right);
assign aaah = (state == falll || state == fallr);
assign digging = (state == digl || state == digr);
endmodule
Note
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