EDA實驗教程-紅綠燈ppt課件

1、計算機計算機EDA設計設計實驗教程實驗教程實驗五實驗五 交通紅綠燈控制器交通紅綠燈控制器北航計算機學院北航計算機學院 艾明晶艾明晶內容概要v實驗目的實驗目的v實驗要求實驗要求v實驗原理實驗原理v實驗方案實驗方案v實驗內容實驗內容 v實驗報告實驗報告n了解交通紅綠燈控制器的工作原理。了解交通紅綠燈控制器的工作原理。n掌握建立狀態(tài)機的邏輯模型的方法。掌握建立狀態(tài)機的邏輯模型的方法。n掌握狀態(tài)機的實現和多個狀態(tài)機的組合使掌握狀態(tài)機的實現和多個狀態(tài)機的組合使用方法用方法 實驗目的 假定十字路口馬路的假定十字路口馬路的A方向和方向和B方向各有一方向各有一組紅、黃、綠三個燈組成的交通燈，要求組紅、黃、綠三

2、個燈組成的交通燈，要求設計一個交通紅綠燈控制器，實現對這兩設計一個交通紅綠燈控制器，實現對這兩組交通燈的管理。正常時，交替放行十字組交通燈的管理。正常時，交替放行十字交叉路的兩個方向，放行時間相等；交通交叉路的兩個方向，放行時間相等；交通堵塞時，由交通警察人工控制某方向的放堵塞時，由交通警察人工控制某方向的放行時間，以便按照交通負荷疏導阻塞車輛。行時間，以便按照交通負荷疏導阻塞車輛。 具體功能要求如下具體功能要求如下 ：實驗要求在正常運行狀態(tài)下，兩組交通燈按以下規(guī)律自動進在正常運行狀態(tài)下，兩組交通燈按以下規(guī)律自動進行轉換，在不同時刻分別放行不同方向上的車輛：行轉換，在不同時刻分別放行不同方向上

3、的車輛：（綠，紅（綠，紅50s（黃綠，紅（黃綠，紅5s（黃，紅（黃，紅20s（紅黃，紅（紅黃，紅20s（紅，黃（紅，黃10s（紅，綠（紅，綠50s（紅，黃綠（紅，黃綠5s（紅，（紅，黃黃20s（紅，紅黃（紅，紅黃20s（黃，紅（黃，紅10s（綠，紅（綠，紅50s 人工放行：若某一方向發(fā)生交通阻塞，則交通人工放行：若某一方向發(fā)生交通阻塞，則交通警察按下該方向的放行按鈕來人工控制放行該警察按下該方向的放行按鈕來人工控制放行該方向，則紅綠燈自動將相應方向的道路放行，方向，則紅綠燈自動將相應方向的道路放行，此后不會自動放行另一個方向的道路，直到疏此后不會自動放行另一個方向的道路，直到疏通后，按通后，按

4、“恢復到正常狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)按鈕，重新進入按鈕，重新進入正常運行狀態(tài)。正常運行狀態(tài)。如果某方向處于人工放行的狀態(tài)，應有指示燈如果某方向處于人工放行的狀態(tài)，應有指示燈指示這一情況。指示這一情況。v人工控制放行遵循如下限制規(guī)則：人工控制放行遵循如下限制規(guī)則：v有黃燈亮時，不允許立刻改變放行方向，有黃燈亮時，不允許立刻改變放行方向，必須按正常運行到所需放行的方向時，才必須按正常運行到所需放行的方向時，才保持放行該方向；保持放行該方向；v每個方向的放行時間不得小于某一最小值每個方向的放行時間不得小于某一最小值假定為假定為30秒鐘），以免車輛頻繁起停。秒鐘），以免車輛頻繁起停。v只有在綠，紅只有在綠，

5、紅20s和紅，綠和紅，綠20s狀態(tài)下，可以人工控制改變放行方向，即狀態(tài)下，可以人工控制改變放行方向，即直接跳轉到下一狀態(tài)。直接跳轉到下一狀態(tài)。n基于狀態(tài)機的設計基于狀態(tài)機的設計n有限狀態(tài)機有限狀態(tài)機 n有限狀態(tài)機有限狀態(tài)機FSM，Finite State machine是時序電路設計中經常采用的是時序電路設計中經常采用的一種方式，尤其適合于設計數字系統(tǒng)的控制一種方式，尤其適合于設計數字系統(tǒng)的控制模塊。在模塊。在Verilog HDL中采用中采用case、if-else語句可以很好地描述基于狀態(tài)機的設計。語句可以很好地描述基于狀態(tài)機的設計。 n狀態(tài)機包括組合邏輯部分和寄存器部分。組狀態(tài)機包括組合

6、邏輯部分和寄存器部分。組合邏輯部分又包括次態(tài)邏輯和輸出邏輯，分合邏輯部分又包括次態(tài)邏輯和輸出邏輯，分別用于狀態(tài)譯碼和產生輸出信號；寄存器部別用于狀態(tài)譯碼和產生輸出信號；寄存器部分用于存儲狀態(tài)。分用于存儲狀態(tài)。實驗原理 狀態(tài)機的次態(tài)是現態(tài)及輸入信號的函數，狀態(tài)機的次態(tài)是現態(tài)及輸入信號的函數，輸出信號根據狀態(tài)機的現態(tài)或輸入信號而輸出信號根據狀態(tài)機的現態(tài)或輸入信號而定。定。 狀態(tài)機可分為兩類：摩爾狀態(tài)機可分為兩類：摩爾Moore型狀型狀態(tài)機和米里態(tài)機和米里Mealy型狀態(tài)機。型狀態(tài)機。Moore型狀態(tài)機，其輸出只為狀態(tài)機當前狀態(tài)的型狀態(tài)機，其輸出只為狀態(tài)機當前狀態(tài)的函數，而與輸入無關。函數，而與輸入

7、無關。Mealy型狀態(tài)機，型狀態(tài)機，其輸出不僅與狀態(tài)機當前狀態(tài)有關，而且其輸出不僅與狀態(tài)機當前狀態(tài)有關，而且與輸入有關。與輸入有關。 輸出輸出現態(tài)現態(tài)次態(tài)次態(tài)現態(tài)現態(tài)輸入輸入次態(tài)邏次態(tài)邏輯輯形狀形狀寄存器寄存器輸出邏輸出邏輯輯輸出輸出現態(tài)現態(tài)次態(tài)次態(tài)現態(tài)現態(tài)輸入輸入次態(tài)邏次態(tài)邏輯輯形狀形狀寄存器寄存器輸出邏輸出邏輯輯（1Moore型狀態(tài)機型狀態(tài)機（2Mealy型狀態(tài)機型狀態(tài)機狀態(tài)機的狀態(tài)機的3種表示方法種表示方法 狀態(tài)圖、狀態(tài)表和流程圖狀態(tài)圖、狀態(tài)表和流程圖 輸入輸入/輸出輸出現態(tài)現態(tài)次態(tài)次態(tài)輸入輸入現態(tài)現態(tài)輸出輸出次態(tài)次態(tài)輸出輸出Mealy型狀態(tài)圖的表示型狀態(tài)圖的表示 Moore型狀態(tài)圖的表

8、示型狀態(tài)圖的表示 起始狀態(tài)的選擇起始狀態(tài)的選擇 起始狀態(tài)指電路復位后所處的狀態(tài)，起始狀態(tài)指電路復位后所處的狀態(tài)，選選 擇一個合理的起始狀態(tài)將使整個系統(tǒng)簡擇一個合理的起始狀態(tài)將使整個系統(tǒng)簡捷高效。對于有限狀態(tài)機，必須有時鐘捷高效。對于有限狀態(tài)機，必須有時鐘信號和復位信號！信號和復位信號！狀態(tài)編碼狀態(tài)編碼 采用采用log2N個觸發(fā)器來表示這個觸發(fā)器來表示這N個狀態(tài)個狀態(tài) 采用采用N個觸發(fā)器來表示這個觸發(fā)器來表示這N個狀態(tài)個狀態(tài)稱為稱為一位熱碼狀態(tài)機編碼一位熱碼狀態(tài)機編碼One-Hot State Machine Encoding）。）。 采用采用Verilog HDLVerilog HDL語言實現

9、基于狀態(tài)機的設語言實現基于狀態(tài)機的設計，就是在時鐘信號的觸發(fā)下，完成兩項任務：計，就是在時鐘信號的觸發(fā)下，完成兩項任務：（1 1用用casecase或或if-elseif-else語句描述出狀態(tài)的轉移；語句描述出狀態(tài)的轉移；（2 2描述狀態(tài)機的輸出信號。描述狀態(tài)機的輸出信號。 n輸入信號和輸出信號輸入信號和輸出信號 n輸入信號輸入信號nclk：時鐘信號：時鐘信號fclk = 50MHz）；）；nf1：人工放行：人工放行A方向的控制信號由方向的控制信號由“放行放行A按鈕產生，高有效）；按鈕產生，高有效）；nf2：人工放行：人工放行B方向的控制信號由方向的控制信號由“放行放行B按鈕產生，高有效）；

10、按鈕產生，高有效）；nreset：復位信號由：復位信號由“恢復到正常狀態(tài)恢復到正常狀態(tài)按鈕產生，高有效）。按鈕產生，高有效）。 輸出信號輸出信號 f1s、f2s：人工控制時：人工控制時A方向、方向、B方向的放方向的放行狀態(tài)，驅動行狀態(tài)，驅動LED，高電平時點亮；，高電平時點亮；s12.0、s22.0：交通燈信號輸出，：交通燈信號輸出，分別用于控制分別用于控制A方向和方向和B方向的紅、黃、綠方向的紅、黃、綠燈的亮或滅，驅動燈的亮或滅，驅動LED，高電平時點亮。，高電平時點亮。 n設計思路設計思路n根據其功能要求如正常運行狀態(tài)下的交根據其功能要求如正常運行狀態(tài)下的交通燈自動轉換規(guī)律，人工放行功能及

11、限制通燈自動轉換規(guī)律，人工放行功能及限制規(guī)則），確定其輸出信號，以便控制兩組規(guī)則），確定其輸出信號，以便控制兩組交通燈的亮或滅，并在交通崗內向交通警交通燈的亮或滅，并在交通崗內向交通警察顯示人工放行的狀態(tài)。察顯示人工放行的狀態(tài)。n該控制器的邏輯模型可分為三個部分：工該控制器的邏輯模型可分為三個部分：工作狀態(tài)控制器、操作規(guī)則實現電路以及紅作狀態(tài)控制器、操作規(guī)則實現電路以及紅綠燈信號生成器。綠燈信號生成器。 (1)(1)工作狀態(tài)控制器工作狀態(tài)控制器 功能：根據輸入信號功能：根據輸入信號f1f1、f2f2和和resetreset確定確定系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)是為系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)是為“正常運行正常運行狀

12、狀態(tài)或態(tài)或“A A一直放行一直放行或或“B B一直放行一直放行形狀。形狀。 工作狀態(tài)控制器是一個簡單的具有三狀態(tài)工作狀態(tài)控制器是一個簡單的具有三狀態(tài)normal,fr1,fr2normal,fr1,fr2的有限狀態(tài)機。其輸的有限狀態(tài)機。其輸入分別為人工放行入分別為人工放行A A方向的控制信號方向的控制信號f1f1、人、人工放行工放行B B方向的控制信號方向的控制信號f2f2及復位信號及復位信號resetreset均為高有效），其輸出為人工控制均為高有效），其輸出為人工控制時時A A方向、方向、B B方向的放行狀態(tài)方向的放行狀態(tài) . .預習時請畫出其狀態(tài)轉移圖。預習時請畫出其狀態(tài)轉移圖。想一想，

13、工作狀態(tài)控制器為想一想，工作狀態(tài)控制器為MealyMealy型狀態(tài)機型狀態(tài)機還是還是MooreMoore型狀態(tài)機，為什么？型狀態(tài)機，為什么？ （2 2操作規(guī)則實現電路操作規(guī)則實現電路 功能：根據交通紅綠燈控制器的功能要求，確定不同功能：根據交通紅綠燈控制器的功能要求，確定不同工作狀態(tài)下計時器的計數值?？捎霉ぷ鳡顟B(tài)下計時器的計數值?？捎? 8位計數器來實位計數器來實現定時計數。現定時計數。正常運行時，計數器按照規(guī)定的定時要求加正常運行時，計數器按照規(guī)定的定時要求加1 1計數；計數；若要人工放行某方向，只要使計時器運行到該放行若要人工放行某方向，只要使計時器運行到該放行狀態(tài)的最后一刻時，計時器保持

14、此時的計數值，使狀態(tài)的最后一刻時，計時器保持此時的計數值，使紅綠燈信號生成器暫停狀態(tài)的轉移即可。紅綠燈信號生成器暫停狀態(tài)的轉移即可。 設計技巧：將放行某方向的整個時間設計技巧：將放行某方向的整個時間50s50s分為兩段，前分為兩段，前30s30s為正常為正常運行狀態(tài)下的最小放行時間，計時器正常計數；后運行狀態(tài)下的最小放行時間，計時器正常計數；后20s20s為允許人工為允許人工放行時間，可根據工作狀態(tài)控制器的狀態(tài)機放行時間，可根據工作狀態(tài)控制器的狀態(tài)機f1sf1s和和f2sf2s進行判進行判斷，是否欲人工放行另一方向，或是繼續(xù)放行原方向，或是正常斷，是否欲人工放行另一方向，或是繼續(xù)放行原方向，或

15、是正常運行，然后根據判斷結果來確定計時器的計數值。運行，然后根據判斷結果來確定計時器的計數值。 (綠，紅綠，紅)正常運行正常運行正常運行正常運行可人工放行可人工放行可人工放行可人工放行30s50s135s155s210s105s0s(紅，綠紅，綠)(紅，綠紅，綠)(綠，紅綠，紅)正常運行正常運行限制規(guī)則示意圖限制規(guī)則示意圖 （3 3紅綠燈信號生成器紅綠燈信號生成器 功能：根據定時計數器的計數值來確定紅綠燈信號的功能：根據定時計數器的計數值來確定紅綠燈信號的輸出。輸出。這是一個簡單的狀態(tài)機，共有這是一個簡單的狀態(tài)機，共有1010個不同狀態(tài)，有個不同狀態(tài)，有6 6個個輸出，為輸出，為s12.0s1

16、2.0和和s22.0s22.0，分別用于控制，分別用于控制A A、B B兩個方向的紅、黃、綠燈的亮或滅。兩個方向的紅、黃、綠燈的亮或滅?？梢詫φ請D可以對照圖5-1“5-1“正常運行狀態(tài)下兩組交通燈自動轉正常運行狀態(tài)下兩組交通燈自動轉換規(guī)律換規(guī)律”，根據計時器的計數值來確定紅綠燈信號，根據計時器的計數值來確定紅綠燈信號生成器的輸出。注意計時器的一個工作循環(huán)為一個生成器的輸出。注意計時器的一個工作循環(huán)為一個正常的紅綠燈工作周期，即正常的紅綠燈工作周期，即210210秒。秒。 預習時請畫出其狀態(tài)轉移圖。預習時請畫出其狀態(tài)轉移圖。n設計方案的選擇設計方案的選擇 n圖文混合設計方法：先將電路劃分為幾個圖

17、文混合設計方法：先將電路劃分為幾個子模塊，每個子模塊由子模塊，每個子模塊由Verilog HDL語言語言描述實現，然后生成邏輯符號，頂層文件描述實現，然后生成邏輯符號，頂層文件采用圖形文件來實現。采用圖形文件來實現。 n純文本描述方法：每個子模塊和頂層電路純文本描述方法：每個子模塊和頂層電路的連接關系都采用的連接關系都采用Verilog HDL語言描述語言描述實現，對子模塊的調用采用模塊元件例化實現，對子模塊的調用采用模塊元件例化的方法。的方法。 實驗方案n方案一方案一n1. 設計思路設計思路n根據控制器的邏輯模型，將整個根據控制器的邏輯模型，將整個電路分為電路分為3個子模塊，即工作狀態(tài)控制器

18、個子模塊，即工作狀態(tài)控制器state_ctrl.v、操作規(guī)則實現電路、操作規(guī)則實現電路rule.v和紅綠燈信號生成器和紅綠燈信號生成器sig_gen.v，它們均，它們均采用采用Verilog HDL語言實現。然后形成頂語言實現。然后形成頂層圖形設計文件層圖形設計文件trgl_top.bdf。 工作狀態(tài)控制器工作狀態(tài)控制器state_ctrl.v 操作規(guī)則實現電路操作規(guī)則實現電路rule.v 紅綠燈信號生成器紅綠燈信號生成器sig_gen.v 頂層圖形設計文件頂層圖形設計文件trgl_top.bdf2. 對對trgl_top.bdf進行時序仿真。進行時序仿真。 3. 創(chuàng)建下載用頂層文件創(chuàng)建下載用

19、頂層文件將將 t r g l _ t o p . b d f 另 起 名 保 存 如另 起 名 保 存 如trgl_top_p.bdf），并在其時鐘輸入引），并在其時鐘輸入引腳后增加時鐘分頻模塊腳后增加時鐘分頻模塊clkdiv_50MHz_to_1Hz，將輸入時鐘，將輸入時鐘fclk = 50MHz分頻為分頻為f = 1Hz，即，即T =1s。編譯，引腳鎖定。編譯，引腳鎖定。 編程下載文件編程下載文件trgl_top_p.bdf n方案二方案二n1. 設計思路設計思路 n將控制器的三部分電路有機地結合到一起，將控制器的三部分電路有機地結合到一起，用一個文件采用用一個文件采用Verilog HD

20、L語言實現，語言實現，文件名為文件名為trgl2.v。其中用到了兩個。其中用到了兩個reg型型中間變量：中間變量：n （1state：工作狀態(tài)控制狀態(tài)機，：工作狀態(tài)控制狀態(tài)機，具有具有3個狀個狀態(tài)態(tài)normal, fr1, fr2）。）。n （28位寄存器位寄存器cnt7.0：用于紅：用于紅綠燈信號生成器的定時計數。綠燈信號生成器的定時計數。n采用采用3個個always模塊來實現這三部分電路模塊來實現這三部分電路實際上就是將方案一中的實際上就是將方案一中的3個子模塊的個子模塊的Verilog HDL描述放到一個文本文件中）。描述放到一個文本文件中）。2. 在在Quartus中進行時序仿真中進行

21、時序仿真 3. 設計下載用頂層文件，編程下載設計下載用頂層文件，編程下載 采用采用Verilog HDL語言設計頂層文件語言設計頂層文件 引腳鎖定，編程下載引腳鎖定，編程下載 .n分別畫出工作狀態(tài)控制器和紅綠燈信號生分別畫出工作狀態(tài)控制器和紅綠燈信號生成器的狀態(tài)轉移圖，操作規(guī)則實現電路的成器的狀態(tài)轉移圖，操作規(guī)則實現電路的程序流程圖程序流程圖 n采用方案一或方案二有余力的同學也可采用方案一或方案二有余力的同學也可以兩種方案都采用），按實驗要求給出的以兩種方案都采用），按實驗要求給出的功能要求設計交通紅綠燈控制器。功能要求設計交通紅綠燈控制器。 實驗內容n仿真仿真 n使輸入信號均無效，仿真至少一

22、個循環(huán)周使輸入信號均無效，仿真至少一個循環(huán)周期的正常運行狀態(tài)。觀察狀態(tài)機期的正常運行狀態(tài)。觀察狀態(tài)機state1.0以及輸出信號以及輸出信號f1s、f2s、s12.0和和s22.0的變化。將仿真結的變化。將仿真結果保存為果保存為trgl_top(normal).vwf。 n正常運行時的仿真參考波形一：正常運行時的仿真參考波形一：正常運行時的仿真參考波形二正常運行時的仿真參考波形二210秒為秒為一周期）：一周期）：在不同的時段給定不同的輸入信號，在每種情況下在不同的時段給定不同的輸入信號，在每種情況下觀察狀態(tài)機觀察狀態(tài)機state1.0以及輸出信號以及輸出信號f1s、f2s、s12.0和和s22

23、.0的變化的變化.n設計下載用頂層文件設計下載用頂層文件 n仿真完全正確后，在原設計基礎上增加仿真完全正確后，在原設計基礎上增加時鐘分頻模塊，將輸入時鐘時鐘分頻模塊，將輸入時鐘fclk = 50MHz分頻為分頻為f = 1Hz，即，即T = 1s，形，形成下載用頂層文件可以為圖形設計文件成下載用頂層文件可以為圖形設計文件或或.v文本設計文件）。對下載用頂層文件文本設計文件）。對下載用頂層文件進行全編譯。進行全編譯。 n引腳鎖定引腳鎖定 n本實驗采用模式本實驗采用模式3所有按鍵為琴鍵式按所有按鍵為琴鍵式按鍵，即當按下鍵時，輸出為高電平；當松鍵，即當按下鍵時，輸出為高電平；當松開鍵時，輸出為低電平

24、。可通過按下鍵的開鍵時，輸出為低電平?？赏ㄟ^按下鍵的時間的長短來控制正脈沖的寬度。時間的長短來控制正脈沖的寬度。 nclk：系統(tǒng)時鐘信號，：系統(tǒng)時鐘信號，50MHz，接，接FPGA引腳引腳Pin28。注意應將下圖中的。注意應將下圖中的J6插到插到Clock0的位置，并將實驗箱右下角的位置，并將實驗箱右下角“時鐘時鐘頻率選擇頻率選擇區(qū)域區(qū)域Clock0的時鐘選擇跳線接的時鐘選擇跳線接到到50MHz的位置。的位置。 n編程下載編程下載 n利用利用GW48-SOPC+開發(fā)系統(tǒng)實現設開發(fā)系統(tǒng)實現設計的編程下載。編程器件為計的編程下載。編程器件為EP1C12Q240C8。使用開發(fā)系統(tǒng)上的晶。使用開發(fā)系統(tǒng)

25、上的晶振提供的全局時鐘信號振提供的全局時鐘信號fclk = 50MHz）（Pin28），用琴鍵式按鈕開關鍵），用琴鍵式按鈕開關鍵1、鍵、鍵2和鍵和鍵3均為高有效實現人工控制放行均為高有效實現人工控制放行A方向和方向和B方向、復位功能，用方向、復位功能，用8個發(fā)光二極個發(fā)光二極管高有效管高有效D1D8，分別顯示輸出信號，分別顯示輸出信號s12.0、s22.0、f1s和和f2s。 n在線校驗在線校驗 n下載后，仔細觀察：紅綠燈應按設定的時間規(guī)律自下載后，仔細觀察：紅綠燈應按設定的時間規(guī)律自動切換，動切換，D1D8八個八個LED分別對應的是：分別對應的是：A方向方向的紅黃綠，的紅黃綠，B方向的紅黃綠，方向的紅黃綠，A方向的放行狀態(tài)，方向的放行狀態(tài)，B方向的放行狀態(tài)。方向的放行狀態(tài)。 n然后按下鍵然后按下鍵1，表示欲人工放行，表示欲人工放行A方向，則相應方向，則相應LED有顯示；同時兩個方向的紅綠燈按正常運行規(guī)有顯示；同時兩個方向的紅綠燈按正常運行規(guī)律自動切換，當運行到放行律自動切換，當運行到放行A方向時，則保持放行方向時，則保持放行該方向。該方向。n再按下鍵再按下鍵2，表示欲