Verilog实现简单自动售货机的设计与仿真

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简介：本文介绍了使用Verilog硬件描述语言设计的一个简单自动售货机模型，该模型能模拟接收1元和0.5元硬币，积累到2.5元后出水并找零。项目包含了Verilog基础知识、自动售货机逻辑实现、测试激励生成（Testbench）、以及综合与仿真等重要概念。这个案例提供了一个实际应用Verilog数字系统设计的学习途径，涵盖了从状态机设计到逻辑仿真的全流程。

1. Verilog硬件描述语言基础

在数字电路设计领域，Verilog硬件描述语言（HDL）作为一种主流的设计工具，扮演了至关重要的角色。它的出现极大地简化了硬件设计的复杂性，使工程师能够通过编写代码来模拟电子电路的行为，从而实现对硬件电路的详细描述。

Verilog语言的特性

Verilog不仅仅是一种编程语言，它更是一种硬件描述语言。这意味着它不仅能够描述硬件的结构，更能描述硬件的运作方式。Verilog的特性包括：

• 并行性 ：在Verilog中，所有的语句几乎是同时执行的，这反映了硬件电路的本质。
• 模块化 ：能够通过模块来构建复杂的电路结构，模块化设计有助于提高设计的复用性。
• 层次性 ：Verilog支持从基本门电路到复杂系统的不同抽象层次的描述。

Verilog代码的基础结构

一个基本的Verilog程序通常包括以下部分：

• 模块定义 ：模块是Verilog中最基本的结构单元，定义了电路的功能和接口。
• 端口声明 ：指定了模块的输入和输出。
• 数据流描述 ：使用assign语句和逻辑运算符描述电路的行为。
• 行为描述 ：通过initial和always块描述时序行为和组合逻辑。

例如，一个简单的always块可以描述一个触发器的行为：

always @(posedge clk or negedge reset) begin
    if (!reset)
        q <= 0;
    else
        q <= d;
end

在上述代码中， always 块指定了一个时序逻辑块，它在时钟的上升沿或复位信号的下降沿触发。 if 语句用来描述复位逻辑，而 q 和 d 分别代表触发器的输出和输入。

理解了这些基本概念之后，我们就能够开始探讨更为复杂的主题，例如自动售货机的项目实现，这将涉及状态机设计、模块化编程、测试激励的生成等高级主题。在下一章中，我们将具体分析自动售货机项目的需求和设计目标。

2. 自动售货机项目概述

2.1 项目需求分析

2.1.1 系统功能要求

在设计自动售货机项目时，首要任务是对项目需求进行详尽的分析。这将确保最终的系统能够满足目标市场的预期和需求。自动售货机需要实现的功能包括但不限于：

• 商品展示： 显示可购买的商品及其价格信息。
• 货币处理： 接受不同面额的货币并进行识别与找零。
• 商品选择与购买： 用户可以通过按钮或触摸屏选择想要购买的商品。
• 库存管理： 监控存货水平，低库存时发出补充警告。
• 安全性： 确保交易过程中的资金安全，防止盗窃和诈骗。

系统功能要求还应涵盖如何处理异常情况，例如处理假币、现金不足或库存耗尽等。

2.1.2 硬件资源评估

硬件资源评估是项目设计过程中的关键部分，这涉及确定所必需的硬件组件及其规格。对于自动售货机项目，核心硬件组件可能包括：

• 微控制器或处理器： 用于运行系统程序和处理用户交互。
• 显示屏： 高分辨率触摸屏或物理按钮用于商品选择。
• 货币接收器与找零机： 需要与微控制器接口连接。
• 商品存储单元： 存放商品的货柜。
• 传感器： 用于监控库存水平和商品取走情况。
• 网络模块： 连接至远程服务器用于远程监控和软件更新。

这些组件的评估要考虑成本、尺寸、功耗及耐用性等多种因素。

2.2 设计目标和实现步骤

2.2.1 设计目标概述

自动售货机的设计目标不仅需要考虑技术实现，还要关注用户体验。核心设计目标可概括如下：

• 易用性： 界面友好，操作简单直观。
• 效率： 交易过程快速，响应时间短。
• 可靠性： 系统稳定，故障率低。
• 扩展性： 系统设计应考虑未来的升级和维护。
• 安全性： 确保交易和用户数据的安全。

此外，设计还应遵循相关的行业标准和法规要求。

2.2.2 系统实现的主要步骤

实现自动售货机系统的步骤可以分为以下几个阶段：

1. 需求调研与分析： 对潜在用户和市场进行调研，明确需求。
2. 系统设计： 根据需求设计系统的架构、用户界面和硬件布局。
3. 硬件选择与采购： 选定并采购所需的硬件组件。
4. 硬件组装与测试： 组装硬件并进行初步测试。
5. 软件开发： 编写控制程序、界面和通信协议。
6. 系统集成与调试： 将软件和硬件组合，进行集成测试和调试。
7. 现场部署： 在实际环境部署系统，进行现场测试。
8. 维护与升级： 根据用户反馈进行系统维护和软件升级。

每个步骤都应制定详细的计划和时间表，确保项目的顺利进行。

接下来的章节将深入探讨数据类型与结构体在Verilog中的应用，为自动售货机项目的设计和实现奠定基础。

3. 数据类型与结构体

3.1 Verilog的基本数据类型

3.1.1 有符号与无符号类型

在Verilog中，数据类型主要分为有符号（signed）和无符号（unsigned）类型。这两种类型对于操作和存储在数字电路中的数据有重要的影响。

有符号类型的变量可以表示正数和负数。在Verilog中，无符号类型默认为有符号类型，除非在声明时显式指定 signed 关键字。在硬件描述中，有符号数的处理更加复杂，因为需要考虑补码表示法来处理负数。以下是一个简单的例子：

reg signed [7:0] signed_var; // 定义一个有符号8位变量
reg [7:0] unsigned_var;      // 定义一个默认无符号8位变量

在上面的代码中， signed_var 可以存储-128到127之间的任何整数，而 unsigned_var 可以存储0到255之间的任何整数。

有符号数在进行算术运算时，结果也是有符号的。在进行比较运算时，例如 < 、 > ，结果同样遵循有符号数的比较规则。这在设计例如算术逻辑单元（ALU）或乘法器时尤其重要。

而无符号类型适用于仅需要表示非负数的情况，例如计数器。无符号类型的变量在Verilog中默认为无符号，但可以明确声明来增加代码的可读性。

3.1.2 向量与数组类型

在Verilog中，向量（vector）和数组（array）类型允许设计者表示多位数据结构。向量可以被理解为固定大小的一维数组，而数组可以是一维或多维的。

向量和数组在硬件设计中非常重要，因为它们可以用来表示多信号的集合，例如多个位宽相同的信号。这在处理并行数据时非常有用，比如并行乘法器或存储器设计。

向量声明的语法格式如下：

reg [high:low] vector_name;

例如，以下声明创建了一个8位宽的向量，它可以包含从位0到位7的值：

reg [7:0] byte_vector;

数组的声明方式与向量类似，但具有额外的维度：

reg [high:low][high:low] array_name;

例如，声明一个10个8位向量的数组：

reg [7:0] array_of_bytes[9:0];

3.2 自定义结构体与模块化设计

3.2.1 结构体的定义与使用

Verilog提供了结构体（struct）数据类型，用于组合不同数据类型的集合。结构体在模块化设计中非常有用，尤其是当需要将复杂的数据结构组织在一起时。

结构体的定义格式如下：

typedef struct packed {
    type member_name1;
    type member_name2;
    ...
} struct_name;

其中， packed 关键字表示数据的紧凑存储。例如，创建一个表示32位整数和8位标志的结构体：

typedef struct packed {
    logic [31:0] integer_data;
    logic [7:0] flag;
} data_struct;

一旦定义了结构体，便可以在Verilog代码中像其他基本类型一样使用它：

data_struct my_data;

结构体的使用可以提高代码的可读性和可维护性，特别是在处理复杂数据时。

3.2.2 模块化设计的优势

模块化设计是硬件设计中的一种重要方法论，它主张将复杂系统分解为可独立设计、测试和复用的模块。在Verilog中，模块（module）是实现这一概念的基本单元。

模块化设计具有以下优势：

• 可复用性： 设计的模块可以在多个项目中复用，减少重复工作。
• 可测试性： 独立模块更容易编写测试激励（Testbench），提升测试的深度和广度。
• 可维护性： 独立的模块使系统更易于维护和升级。
• 并行开发： 不同的模块可以由不同的设计者同时开发，提高开发效率。

下面是一个简单的Verilog模块示例：

module my_module(
    input wire clk,
    input wire reset,
    input wire [3:0] data_in,
    output reg [7:0] data_out
);
    // 模块内部逻辑
endmodule

在设计中，应该尽量避免大而复杂的模块，并尽可能的将功能划分，这样有利于设计的清晰性，也便于调试和优化。使用结构体和模块化设计是实现这一目标的关键手段。

4. 状态机设计原理

4.1 状态机基本概念

4.1.1 状态机的分类

状态机是数字逻辑设计中一种重要的概念模型，用于描述系统在不同状态下对输入信号的响应和转变。状态机分为两大类：Moore型和Mealy型。

Moore型状态机的输出仅依赖于当前的状态。此类状态机的输出不直接受到输入信号的影响，因此具有较好的时序特性，但可能需要更多的状态来表示相同的输出逻辑。

Mealy型状态机的输出则同时依赖于当前状态和输入信号。其输出逻辑较为简洁，但可能会因为输入信号的不稳定而产生风险。

在设计状态机时，选择合适的类型对于后续的综合、仿真和硬件实现至关重要。

4.1.2 状态转换与触发条件

状态转换是状态机核心的工作方式。它描述了状态机从当前状态转移到另一个状态的条件。触发条件通常由输入信号决定，但也可以是时间的函数，例如一个计时器达到特定的值。

理解状态转换对于设计状态机至关重要，因为这直接关系到系统是否能够按预期工作。设计者需要考虑所有的状态转换路径以及对应的触发条件，并确保系统在各种条件下都能够正确地响应。

4.2 自动售货机状态设计

4.2.1 状态转移图的绘制

状态转移图是描述状态机行为的图形化工具。它清晰地展示了状态机所有可能的状态以及从一个状态到另一个状态的转换路径和条件。

在自动售货机的案例中，状态转移图将包括如下状态：等待选择商品、确认支付、商品分发、找零、以及可能的维护状态等。每条转换路径上都会标注触发该转换的条件，例如用户选择商品、完成支付等。

4.2.2 状态寄存器与输出逻辑

在状态机的硬件实现中，状态寄存器用于保存当前状态。在每个时钟周期，状态寄存器根据当前状态和输入信号更新自己的值，从而驱动状态转换。

输出逻辑需要根据当前的状态寄存器的值和输入信号来产生相应的输出信号。例如，当状态机处于支付确认状态时，输出逻辑需要能够判断是否收到了足够的支付，并据此控制商品分发的信号。

// 状态机的状态定义
reg [2:0] state; // 使用3位寄存器来表示状态机的当前状态

// 状态机的主体逻辑
always @(posedge clk) begin
    case (state)
        WAIT_FOR.Selection: // 等待选择商品状态
            if (usericked an item)
                state <= WAIT_FOR.Payment;
        WAIT_FOR.Payment: // 确认支付状态
            if (payment.received)
                state <= DISPENSE;
            else if (timeout)
                state <= ERROR;
        DISPENSE: // 商品分发状态
            // 控制商品分发逻辑
            state <= WAIT_FOR.Selection;
        ERROR: // 处理错误状态
            // 控制错误处理逻辑
            state <= WAIT_FOR.Selection;
        default:
            state <= WAIT_FOR.Selection;
    endcase
end

状态寄存器和输出逻辑的设计和实现是状态机设计中的核心部分。设计者必须精确地定义状态转移图，并通过硬件描述语言如Verilog来实现这些逻辑。上述的代码片段提供了一个简单状态机设计的例子，其中包含状态寄存器的更新以及基于状态的条件输出逻辑。这种设计方式能够确保自动售货机系统能够根据用户的输入和系统的当前状态做出正确的响应。

5. 输入输出逻辑与寄存器使用

5.1 输入输出端口的声明与实例化

5.1.1 输入输出端口的定义

在Verilog中，输入输出端口是模块与外部世界交互的主要方式。输入端口允许外部信号传入模块，而输出端口允许模块对外部世界传递信号。正确地声明和实例化这些端口对于确保模块能够正确接收数据和发送数据至关重要。

以下是一个简单的Verilog模块示例，展示了如何声明输入输出端口：

module vending_machine(
    input clk,          // 时钟信号
    input reset,        // 复位信号
    input [3:0] coin,   // 投币信号，4位宽
    input select,       // 商品选择信号
    output reg [7:0] disp, // 显示信号，8位宽
    output reg vend     // 出货信号
);
    // 模块内部逻辑
endmodule

在这个例子中， clk 和 reset 被声明为输入端口， coin 和 select 也被声明为输入端口，其中 coin 是一个4位宽的向量。 disp 和 vend 被声明为输出端口，其中 disp 是一个8位宽的向量。

5.1.2 端口映射与模块接口

端口映射是将模块的端口连接到更高层次的模块或测试平台中的相应信号。在Verilog中，可以使用不同的方法来进行端口映射，包括位置映射和命名映射。

位置映射 是基于端口声明的顺序，将信号连接到模块：

vending_machine uut(
    .clk(clk),      // 时钟信号
    .reset(reset),  // 复位信号
    .coin(coin),    // 投币信号
    .select(select),// 商品选择信号
    .disp(disp),    // 显示信号
    .vend(vend)     // 出货信号
);

命名映射 则不依赖于顺序，更加清晰地表达了信号与端口之间的连接关系：

vending_machine uut(
    .clk(clk),
    .reset(reset),
    .coin(coin),
    .select(select),
    .disp(disp),
    .vend(vend)
);

在命名映射中，端口名称直接指明了信号与端口的对应关系，这使得代码的可读性和可维护性更高。

5.1.3 端口列表与模块接口表

端口列表是模块定义中的一部分，它列出了模块的所有输入输出端口。为了方便理解模块的接口，我们可以创建一个表格来表示端口列表。

| 端口类型 | 端口名称 | 位宽 | 描述 | |----------|----------|------|------| | Input | clk | 1 | 时钟信号 | | Input | reset | 1 | 复位信号 | | Input | coin | 4 | 投币信号 | | Input | select | 1 | 商品选择信号 | | Output | disp | 8 | 显示信号 | | Output | vend | 1 | 出货信号 |

通过表格清晰地展示了每个端口的类型、名称、位宽和功能描述，使得模块的接口一目了然。

5.1.4 端口与外部世界的连接

在实际应用中，端口需要与外部世界的相应信号连接，可以是物理引脚或者仿真环境中的信号线。端口连接时需要保证数据类型和信号方向的一致性。例如，在一个自动售货机的硬件实现中，复位按钮可能连接到FPGA板的物理复位引脚，而显示信号可能连接到LED或LCD显示屏。

5.2 寄存器的使用与管理

5.2.1 寄存器的定义与初始化

在Verilog中，寄存器是用来存储数据的组件。寄存器可以是单个的存储位，也可以是多位的存储向量。在定义寄存器时，可以使用 reg 数据类型，这与在C语言中声明变量类似。

reg [7:0] balance; // 8位宽的余额寄存器
reg [2:0] state;   // 3位宽的状态寄存器

在模块的初始块中，可以对寄存器进行初始化。初始块只会在仿真开始时执行一次。

initial begin
    balance = 8'd0; // 初始化余额寄存器为0
    state = 3'd0;   // 初始化状态寄存器为0
end

5.2.2 寄存器的读写控制

寄存器的读写操作需要根据实际的硬件行为和设计逻辑来定义。在Verilog中，寄存器可以随时被赋值，但实际硬件中，寄存器通常只在时钟边沿触发时才会更新其值。

always @(posedge clk) begin
    if (reset) begin
        balance <= 8'd0; // 在时钟上升沿和复位信号有效时，重置余额寄存器
    end else begin
        balance <= balance + coin; // 否则在每个时钟上升沿，将投币金额累加到余额
    end
end

在上述例子中，使用了一个 always 块和 posedge 关键词来指示在时钟信号 clk 的上升沿时触发逻辑。如果 reset 信号被激活，则余额寄存器会被清零；否则，每次投币都会使余额增加相应的金额。

5.2.3 寄存器的参数化

为了提高代码的复用性和灵活性，Verilog允许使用参数（parameter）来定义常量值。这样可以在设计中使用这些参数来控制逻辑的行为，而不必直接修改代码。

parameter COIN_VALUE = 8'd25; // 参数定义了投币值

always @(posedge clk) begin
    if (reset) begin
        balance <= 8'd0;
    end else begin
        balance <= balance + (coin * COIN_VALUE); // 使用参数来计算增加的余额
    end
end

在这个例子中， COIN_VALUE 参数被用来表示每次投币的价值。这样的参数化有助于在需要改变投币价值时，只需要修改这个参数值即可，不需要改动其它逻辑代码。

5.2.4 寄存器的使用注意事项

寄存器是数字逻辑设计中的重要组成部分，它们允许设计者存储中间状态和结果。然而，在使用寄存器时，必须注意几个关键点：

• 确保在适当的时刻对寄存器进行写操作，通常是在时钟边沿触发。
• 如果需要在多处修改寄存器的值，需要使用 always 块来避免竞态条件。
• 避免在不恰当的地方（如组合逻辑中）使用 reg 类型声明变量，这可能会导致仿真和综合结果不一致。

5.2.5 实例与说明

一个典型的寄存器应用是实现一个计数器，如下所示：

module counter(
    input clk,
    input reset,
    input enable,
    output reg [7:0] count
);

always @(posedge clk or posedge reset) begin
    if (reset) begin
        count <= 8'd0;
    end else if (enable) begin
        count <= count + 1'b1; // 启用计数器时增加计数
    end
end

endmodule

在计数器模块中， count 寄存器会在每个时钟上升沿增加，除非 reset 信号被激活，这时 count 会被置零。注意，这里使用 1'b1 表示将 count 增加1，这是一种位宽明确的写法，有助于保持代码的清晰度和一致性。

5.2.6 小结

通过上述例子和讨论，可以看出寄存器在硬件描述语言中的重要性。在实际设计中，合理地使用和管理寄存器能够提高硬件的性能和可靠性。正确的读写控制和参数化方法能够提供设计的灵活性和可维护性。在设计和实现自动售货机等数字系统时，寄存器管理是至关重要的一个环节。

6. 条件判断与复位时钟信号

在硬件设计中，条件判断逻辑是不可或缺的一部分，它负责根据不同的条件执行相应的操作。同时，复位和时钟信号的设计对于系统的稳定运行也至关重要。本章将详细介绍如何在Verilog中实现条件判断逻辑，以及如何设计复位与时钟管理策略。

6.1 条件判断逻辑的实现

6.1.1 if-else与case语句的使用

在Verilog中，实现条件判断逻辑主要使用 if-else 和 case 语句。 if-else 适用于简单的二选一决策，而 case 语句则适用于多分支选择。

module condition judgement(
    input [3:0] a,
    input [3:0] b,
    output reg [3:0] max;
);

always @(*) begin
    if (a > b) begin
        max = a;
    end else begin
        max = b;
    end
end

// 或者使用case语句
always @(*) begin
    case (a > b)
        1'b1: max = a;
        1'b0: max = b;
    endcase
end

endmodule

6.1.2 优先级编码器与条件判断

优先级编码器是实现多路信号选择的一种高效方法。它可以为多个条件赋予不同的优先级。

module priority_encoder(
    input [3:0] signals,
    output reg [1:0] encoding;
);

always @(*) begin
    case (signals)
        4'b1000: encoding = 2'b11;
        4'b0100: encoding = 2'b10;
        4'b0010: encoding = 2'b01;
        4'b0001: encoding = 2'b00;
        default: encoding = 2'b00;
    endcase
end

endmodule

6.2 复位与时钟管理

6.2.1 复位策略与实现

复位是将数字系统置于已知初始状态的过程。在Verilog中，有两种常见的复位策略：同步复位和异步复位。

module reset_strategy(
    input clk,
    input rst_n, // 异步复位信号，低电平有效
    output reg q;
);

// 异步复位
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        q <= 0;
    end else begin
        q <= q + 1;
    end
end

// 同步复位
always @(posedge clk) begin
    if (rst_n) begin
        q <= 0;
    end else begin
        q <= q + 1;
    end
end

endmodule

6.2.2 时钟分频与同步设计

时钟信号在数字电路中是至关重要的，时钟分频用于降低时钟频率，而同步设计确保系统稳定运行。

module clock_divider(
    input clk,
    input rst_n,
    output reg clk_out;
);

reg [23:0] counter;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if (!rst_n) begin
        counter <= 0;
        clk_out <= 0;
    end else begin
        if (counter == 24'd12_500_000) begin
            counter <= 0;
            clk_out <= ~clk_out; // 翻转输出时钟
        end else begin
            counter <= counter + 1;
        end
    end
end

endmodule

通过上述示例代码，我们展示了条件判断逻辑与复位时钟信号在Verilog硬件设计中的应用。这些概念和代码片段对于设计可靠的数字逻辑电路至关重要。在后续的章节中，我们将进一步探讨如何测试和验证这些设计，并进行最终的综合与仿真。

本文还有配套的精品资源，点击获取

简介：本文介绍了使用Verilog硬件描述语言设计的一个简单自动售货机模型，该模型能模拟接收1元和0.5元硬币，积累到2.5元后出水并找零。项目包含了Verilog基础知识、自动售货机逻辑实现、测试激励生成（Testbench）、以及综合与仿真等重要概念。这个案例提供了一个实际应用Verilog数字系统设计的学习途径，涵盖了从状态机设计到逻辑仿真的全流程。

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