【数字IC手撕代码】Verilog自动售卖饮料机|题目|原理|设计|仿真

前言

本系列旨在提供100%准确的数字IC设计/验证手撕代码环节的题目，原理，RTL设计，Testbench和参考仿真波形，每篇文章的内容都经过仿真核对。快速导航链接如下：

奇数分频
偶数分频
半整数分批
小数/分数分频
序列检测器
模三检测器
饮料机
异步复位，同步释放
边沿检测（上升沿，下降沿，双边沿)
全加器，半加器
格雷码转二进制
单bit跨时钟域（打两拍，边沿同步，脉冲同步）
同步FIFO

应当说，手撕代码环节是面试流程中既重要又简单的一个环节，跟软件类的岗位相比起来，数字IC的手撕代码题目固定，数量有限，属于整个面试中必得分的一个环节，在这个系列以外，笔者同样推荐数字IC求职者使用“HdlBits”进行代码的训练
链接如下
HDLBits — Verilog Practice

自动售卖饮料机题目

1.使用Verilog设计电路，完成以下功能:每瓶饮料1.5元，一次只能投入一个硬币，可投入0.5与1.0两种硬币，具有找零功能。

自动售卖饮料机原理

首先，很显而易见的是，这个手撕代码应该用状态机来完成
对于状态的区分，我们可以根据饮料机中剩余的的金额来进行分类，因为硬币只存在两种，0.5/1元，因此状态的划分可以如下

• IDLE：复位状态，表示饮料机中的余额为0元
• s1:饮料机的余额为0.5元
• s2:饮料机中的余额为1元
• s3:饮料机中的余额为1.5元（输出饮料，不找零）
• s4:饮料集中的余额为2元（输出饮料，找零)

那么对于这个状态机的输入和输出来说
输入:两位input代表投入的硬币，input[1]拉高意味着投入一元，input[0]拉高意味着投入0.5元，默认一次只能投入一枚硬币。
输出:drink代表输出饮料，coin代表输出硬币。

Veilog设计

module drink_machine( clk ,rst_n, money,drink,coin);
input clk;
input rst_n;
input [1:0] money;
output drink;
output coin;

parameter IDLE = 3'd0, s1=3'd1 ,s2=3'd2, s3=3'd3,s4=3'd4;

reg [2:0] state,nstate;

always@(posedge clk or negedge rst_n)
begin
if(!rst_n)
state<=IDLE;
else
state<=nstate;
end

always@(*)
begin
case(state)
IDLE:nstate = money[1] ? s2 : (money[0] ? s1 :IDLE);
s1:  nstate = money[1] ? s3 : (money[0] ? s2 : s1);
s2:  nstate = money[1] ? s4 : (money[0] ? s3 : s2);
s3:  nstate = money[1] ? s2 : (money[0] ? s1 :IDLE);
s4:  nstate = money[1] ? s2 : (money[0] ? s1 :IDLE);
default nstate = IDLE;
endcase
end

assign drink = (state == s3 || state == s4)? 1:0;
assign coin  = (state == s4)? 1:0;


endmodule

Testbench设计

module drink_machine_tb();
reg clk;
reg rst_n;
reg [1:0] money;
wire drink;
wire coin;

drink_machine u1 (.clk(clk),.rst_n(rst_n),.money(money),.drink(drink),.coin(coin));

always #5 clk = !clk;

always #10.001 money = {$random} % 3;

initial
begin
clk = 0;
rst_n = 1;
#10
rst_n = 0;
#20
rst_n = 1;
#1000
$stop;
end


endmodule

仿真结果

从20ns到80ns的过程中，投了一个五毛，一个一块，drink输出为1.
紧接着，投了一个一块，又投了一个一块，drink输出为1的同时coin也输出为1
其他的状态跳转也符合预期，设计成立。