實(shí)驗(yàn)五交通燈控制

《計(jì)算機(jī)EDA設(shè)計(jì)》實(shí)驗(yàn)教程實(shí)驗(yàn)五

交通紅綠燈控制器北航計(jì)算機(jī)學(xué)院艾明晶5/23/20231內(nèi)容概要實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)內(nèi)容實(shí)驗(yàn)報(bào)告5/23/20232了解交通紅綠燈控制器的工作原理。掌握建立狀態(tài)機(jī)的邏輯模型的方法。掌握狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)和多個(gè)狀態(tài)機(jī)的組合使用方法實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/23/20233假定十字路口馬路的A方向和B方向各有一組紅、黃、綠三個(gè)燈組成的交通燈，要求設(shè)計(jì)一個(gè)交通紅綠燈控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩組交通燈的管理。正常時(shí)，交替放行十字交叉路的兩個(gè)方向，放行時(shí)間相等；交通堵塞時(shí)，由交通警察人工控制某方向的放行時(shí)間，以便按照交通負(fù)荷疏導(dǎo)阻塞車輛。具體功能要求如下：實(shí)驗(yàn)要求5/23/20234在正常運(yùn)行狀態(tài)下，兩組交通燈按以下規(guī)律自動(dòng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，在不同時(shí)刻分別放行不同方向上的車輛： （綠，紅）50s（黃綠，紅）5s（黃，紅）20s（紅黃，紅）20s（紅，黃）10s （紅，綠）50s（紅，黃綠）5s（紅，黃）20s（紅，紅黃）20s（黃，紅）10s （綠，紅）50s……5/23/20235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方向，則紅綠燈自動(dòng)將相應(yīng)方向的道路放行，此后不會(huì)自動(dòng)放行另一個(gè)方向的道路，直到疏通后，按“恢復(fù)到正常狀態(tài)”按鈕，重新進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。如果某方向處于人工放行的狀態(tài)，應(yīng)有指示燈指示這一情況。5/23/20236人工控制放行遵循如下限制規(guī)則：有黃燈亮?xí)r，不允許立刻改變放行方向，必須按正常運(yùn)行到所需放行的方向時(shí)，才保持放行該方向；每個(gè)方向的放行時(shí)間不得小于某一最小值（假定為30秒鐘），以免車輛頻繁起停。只有在（綠，紅）20s和（紅，綠）20s狀態(tài)下，可以人工控制改變放行方向，即直接跳轉(zhuǎn)到下一狀態(tài)。5/23/20237基于狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)有限狀態(tài)機(jī)有限狀態(tài)機(jī)（FSM，F(xiàn)initeStatemachine）是時(shí)序電路設(shè)計(jì)中經(jīng)常采用的一種方式，尤其適合于設(shè)計(jì)數(shù)字系統(tǒng)的控制模塊。在VerilogHDL中采用case、if-else語句可以很好地描述基于狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)。狀態(tài)機(jī)包括組合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，分別用于狀態(tài)譯碼和產(chǎn)生輸出信號(hào)；寄存器部分用于存儲(chǔ)狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)原理5/23/20238狀態(tài)機(jī)的次態(tài)是現(xiàn)態(tài)及輸入信號(hào)的函數(shù)，輸出信號(hào)根據(jù)狀態(tài)機(jī)的現(xiàn)態(tài)或輸入信號(hào)而定。狀態(tài)機(jī)可分為兩類：摩爾（Moore）型狀態(tài)機(jī)和米里（Mealy）型狀態(tài)機(jī)。Moore型狀態(tài)機(jī)，其輸出只為狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)的函數(shù)，而與輸入無關(guān)。Mealy型狀態(tài)機(jī)，其輸出不僅與狀態(tài)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)，而且與輸入有關(guān)。

5/23/20239輸出現(xiàn)態(tài)次態(tài)現(xiàn)態(tài)輸入次態(tài)邏輯狀態(tài)寄存器輸出邏輯輸出現(xiàn)態(tài)次態(tài)現(xiàn)態(tài)輸入次態(tài)邏輯狀態(tài)寄存器輸出邏輯（1）Moore型狀態(tài)機(jī)（2）Mealy型狀態(tài)機(jī)5/23/202310狀態(tài)機(jī)的3種表示方法狀態(tài)圖、狀態(tài)表和流程圖輸入/輸出現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸入現(xiàn)態(tài)輸出次態(tài)輸出Mealy型狀態(tài)圖的表示

Moore型狀態(tài)圖的表示

5/23/202311起始狀態(tài)的選擇

起始狀態(tài)指電路復(fù)位后所處的狀態(tài)，選 擇一個(gè)合理的起始狀態(tài)將使整個(gè)系統(tǒng)簡 捷高效。對(duì)于有限狀態(tài)機(jī)，必須有時(shí)鐘 信號(hào)和復(fù)位信號(hào)！狀態(tài)編碼采用log2N個(gè)觸發(fā)器來表示這N個(gè)狀態(tài)采用N個(gè)觸發(fā)器來表示這N個(gè)狀態(tài)——稱為一位熱碼狀態(tài)機(jī)編碼（One-HotStateMachineEncoding）。

5/23/202312采用VerilogHDL語言實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)，就是在時(shí)鐘信號(hào)的觸發(fā)下，完成兩項(xiàng)任務(wù)：（1）用case或if-else語句描述出狀態(tài)的轉(zhuǎn)移；（2）描述狀態(tài)機(jī)的輸出信號(hào)。5/23/202313輸入信號(hào)和輸出信號(hào)輸入信號(hào)clk：時(shí)鐘信號(hào)（fclk=50MHz）；f1：人工放行A方向的控制信號(hào)（由“放行A”按鈕產(chǎn)生，高有效）；f2：人工放行B方向的控制信號(hào)（由“放行B”按鈕產(chǎn)生，高有效）；reset：復(fù)位信號(hào)（由“恢復(fù)到正常狀態(tài)”按鈕產(chǎn)生，高有效）。

5/23/202314輸出信號(hào)f1s、f2s：人工控制時(shí)A方向、B方向的放行狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)LED，高電平時(shí)點(diǎn)亮；s1[2..0]、s2[2..0]：交通燈信號(hào)輸出，分別用于控制A方向和B方向的紅、黃、綠燈的亮或滅，驅(qū)動(dòng)LED，高電平時(shí)點(diǎn)亮。5/23/202315設(shè)計(jì)助思路根據(jù)禍其功予能要廟求（融如正賢常運(yùn)克行狀城態(tài)下娛的交凱通燈索自動(dòng)連轉(zhuǎn)換眠規(guī)律榨，人園工放饅行功婚能及慌限制凱規(guī)則哪），墨確定鵲其輸緩出信萍號(hào)，牲以便冒控制煌兩組魄交通創(chuàng)燈的窯亮或敲滅，諸并在包交通尖崗內(nèi)說向交匹通警尤察顯寸示人舒工放戶行的養(yǎng)狀態(tài)炎。該控冬制器垃的邏哨輯模把型可匠分為吃三個(gè)弊部分愧：工想作狀屈態(tài)控魄制器菌、操蠶作規(guī)維則實(shí)縮慧現(xiàn)電侍路以幕及紅法綠燈滑信號(hào)泊生成珍器。5/斯18叫/2笛02劫316(1庸)工作赴狀態(tài)泉控制釣器功能煮：根鞋據(jù)輸初入信悲號(hào)（f1、f2和re嫂se寬t）確定兄系統(tǒng)賄當(dāng)前丑的工爬作狀業(yè)態(tài)是須為“律正常旱運(yùn)行敞”狀吳態(tài)或囑“A一直府放行巧”或餓“B一直泳放行質(zhì)”狀健態(tài)。工作油狀態(tài)算控制瀉器是狂一個(gè)艇簡單洽的具齊有三黨狀態(tài)脊（no除rm會(huì)al疫,f酷r1舌,f映r2）的有緩限狀婚態(tài)機(jī)壞。其驢輸入潑分別誦為人質(zhì)工放虜行A方向掃的控社制信胸號(hào)f1、人工袍放行B方向囑的控孤制信田號(hào)f2及復(fù)說位信貨號(hào)re擁se芽t（均為軍高有震效）烘，其桶輸出蛾為人蔑工控役制時(shí)A方向使、B方向皆的放渣行狀壺態(tài).預(yù)習(xí)餓時(shí)請(qǐng)嫂畫出招其狀吸態(tài)轉(zhuǎn)禍移圖源。想一敵想，該工作寇狀態(tài)驕控制腦器為Me胖al練y型狀香態(tài)機(jī)么還是Mo漫or無e型狀銳態(tài)機(jī)槳，為虹什么歌？5/倘18羨/2細(xì)02奸317（2）操嚇作規(guī)傳則實(shí)善現(xiàn)電御路功能寶：根羽據(jù)交命通紅前綠燈雄控制市器的親功能遍要求梅，確勻定不抱同工洗作狀緞態(tài)下招計(jì)時(shí)骨器的盤計(jì)數(shù)不值。浴可用8位計(jì)援?dāng)?shù)器桃來實(shí)教現(xiàn)定薄時(shí)計(jì)刊數(shù)。正常即運(yùn)行班時(shí)，豎計(jì)數(shù)柴器按澆照規(guī)飯定的餡定時(shí)貿(mào)要求攏加1計(jì)數(shù)哈；若啦要人如工放幅行某憶方向港，只便要使廳計(jì)時(shí)陳器運(yùn)繁行到舌該放桶行狀英態(tài)的豪最后棋一刻唱時(shí)，勉計(jì)時(shí)答器保圓持此折時(shí)的暑計(jì)數(shù)際值，芳使紅補(bǔ)綠燈害信號(hào)槽生成穩(wěn)器暫偵停狀事態(tài)的施轉(zhuǎn)移綱即可膀。5/勒18廳/2別02吵318設(shè)計(jì)痰技巧：將蒼放行妖某方妨向的鍵整個(gè)饅時(shí)間泊（50方s）分為厚兩段叉，前30歌s為正壤常運(yùn)哲行狀槳態(tài)下鉆的最禁小放值行時(shí)巷間，管計(jì)時(shí)著器正脊常計(jì)荒數(shù)；徒后20深s為允黎許人通工放蔬行時(shí)謙間，載可根茄據(jù)工倆作狀底態(tài)控伐制器巾的狀獸態(tài)機(jī)啟（f1擦s和f2肝s）進(jìn)行帥判斷牲，是壘否欲鴿人工捐放行驅(qū)另一亂方向盤，或姥是繼失續(xù)放名行原撓方向交，或戲是正爐常運(yùn)以行，糠然后跪根據(jù)蛋判斷威結(jié)果噸來確貞定計(jì)離時(shí)器若的計(jì)改數(shù)值高。(綠，紅)正常運(yùn)行正常運(yùn)行可人工放行可人工放行30s50s135s155s210s105s0s(紅，綠)(紅，綠)(綠，紅)正常運(yùn)行限制從規(guī)則陷示意肆圖5/飄18宣/2比02妹319（3）紅之綠燈串信號(hào)瘋生成訓(xùn)器功能嗎：根丈據(jù)定丸時(shí)計(jì)燙數(shù)器艇的計(jì)坐數(shù)值汽來確惕定紅晃綠燈勒信號(hào)貪的輸迫出。這是當(dāng)一個(gè)酬簡單園的狀膽態(tài)機(jī)帶，共局有10個(gè)不矩同狀可態(tài)，雞有6個(gè)輸竄出，乞?yàn)閟1件[2骨..胖0]和s2蛇[2旁..群0]，分別溉用于嫁控制A、B兩個(gè)盒方向判的紅搬、黃胖、綠室燈的予亮或且滅?？梢栽陮?duì)照度圖5-挽1“正常榨運(yùn)行雕狀態(tài)貍下兩繼組交腦通燈擴(kuò)自動(dòng)忌轉(zhuǎn)換祥規(guī)律劫”，借根據(jù)蔬計(jì)時(shí)桃器的勿計(jì)數(shù)聰值來濱確定玻紅綠駱燈信僚號(hào)生鵲成器翼的輸組出。朵注意毫計(jì)時(shí)堡器的摸一個(gè)派工作渠循環(huán)堅(jiān)為一蜂個(gè)正壤常的篩紅綠懼燈工趴作周壤期，賢即21螺0秒。預(yù)習(xí)喊時(shí)請(qǐng)涌畫出爹其狀段態(tài)轉(zhuǎn)丟移圖浴。5/善18南/2拋02忌320設(shè)計(jì)站方案炸的選擋擇圖文豈混合蹦設(shè)計(jì)閘方法雅：先目將電顛路劃堵分為握幾個(gè)口子模符塊，漏每個(gè)經(jīng)子模雜塊由Ve躺ri動(dòng)lo至gHD珍L語言情描述殘實(shí)現(xiàn)塑，然獅后生宜成邏醉輯符筋號(hào)，虛頂層士文件枯采用茶圖形著文件射來實(shí)綁現(xiàn)。純文南本描雀述方江法：皮每個(gè)浮子模緊塊和尤頂層趴電路授的連喪接關(guān)異系都緊采用Ve壞ri勾lo他gHD細(xì)L語言記描述載實(shí)現(xiàn)迎，對(duì)殿子模遠(yuǎn)塊的埋調(diào)用桶采用零模塊做元件地例化藥的方孫法。5/峰18機(jī)/2唇02剪321實(shí)驗(yàn)青方案方案第一1.設(shè)計(jì)匠思路根據(jù)攤控制宵器的灶邏輯笨模型擠，將超整個(gè)臥電路鎖分為3個(gè)子誓模塊籍，即鏟工作托狀態(tài)柴控制充器st盆at陸e_滲ct鼻rl串.v、操作失規(guī)則風(fēng)實(shí)現(xiàn)浙電路ru剃le御.v和紅盆綠燈杜信號(hào)福生成摧器si罪g_勸ge柏n.澇v，它們痕均采安用Ve當(dāng)ri賊lo硬gHD興L語言停實(shí)現(xiàn)顯。然嘉后形崗成頂貸層圖究形設(shè)司計(jì)文盒件tr固gl蛇_(dá)t棚op飲.b傻df。5/立18前/2高02疲322工作膝狀態(tài)蓮控制疾器st岔at鉗e_氣ct涂rl滔.v5/肅18擊/2外02耽323操作安規(guī)則勝實(shí)現(xiàn)路電路ru友le載.v5/彼18優(yōu)/2貞02遍324紅綠壞燈信代號(hào)生返成器si半g_撇ge缸n.領(lǐng)v5/撥18姻/2刃02福325頂層愛圖形偷設(shè)計(jì)挑文件tr街gl戚_t敢op譜.b餡df5/鹿18觸/2放02育3262.對(duì)tr屆gl尿_t管op徐.b腦df進(jìn)行蔥時(shí)序敗仿真紙。3.創(chuàng)建下載鑰用頂層文件將tr貧gl鞭_t俗o(hù)p遵.b叫df另起名碑保存保（如tr氧gl仿_t礙op丘_p庸.b閃df），并在錄其時(shí)籠鐘輸緊入引待腳后簡增加蕉時(shí)鐘詳分頻蹤蝶模塊cl橋kd菊iv流_5冬0M廢Hz敲_t死o_停1H策z，將輸巨入時(shí)暑鐘fc泄lk=木50督MH各z分頻膏為f菌=馬1H崗z，即T營=1錯(cuò)s。編譯襖，引圾腳鎖叼定。5/增18助/2耐02米327編程浮下載仁文件tr綠gl_t露op布_p熔.bd稅f5/猛18舉/2極02閥328方案續(xù)二1.設(shè)計(jì)眾思路將控摘制器只的三呀部分義電路踩有機(jī)犧地結(jié)勻合到搶一起堡，用射一個(gè)雨文件魯采用Ve職ri今lo火gHD刑L語言眉實(shí)現(xiàn)良，文爹件名桐為tr溝gl杰2.聲v。其中烈用到洪了兩久個(gè)re押g型中樸間變落量：（1）st慣at基e：工作握狀態(tài)鈴控制蓋狀態(tài)鉛機(jī)，勇具有3個(gè)狀條態(tài)（no籮rm核al勝,夾fr茅1,潤f熊r2）。（2）8位寄偉存器cn殊t[薪7.紡.0善]：用于法紅綠積燈信膝號(hào)生值成器身的定卸時(shí)計(jì)口數(shù)。采用3個(gè)al略wa番ys模塊憂來實(shí)輛現(xiàn)這仆三部矛分電覆路（塔實(shí)際陽上就異是將練方案享一中窮的3個(gè)子勻模塊修的Ve束ri搶lo巨gHD梨L描述息放到坡一個(gè)僑文本郊文件柿中）家。5/給18勸/2愿02廊3292.在Qu胡ar窄tu捆sⅡ中進(jìn)萄行時(shí)汪序仿渾真3.設(shè)計(jì)江下載施用頂?shù)虒游目芳?，抬編程收下載采用Ve明ri神lo德gHD誤L語言萄設(shè)計(jì)池頂層惱文件引腳盟鎖定割，編公程下杯載.5/施18產(chǎn)/2茅02第330分別營畫出估工作目狀態(tài)室控制省器和羊紅綠爸燈信稻號(hào)生押成器碑的狀士態(tài)轉(zhuǎn)滅移圖堤，操握作規(guī)巡壽則實(shí)盟現(xiàn)電紫路的姥程序騎流程吃圖采用匹方案忌一或亞方案售二（謀有余環(huán)力的忌同學(xué)吼也可夕以兩舟種方墨案都燦采用姨），橫按實(shí)腥驗(yàn)要物求給網(wǎng)出的但功能加要求曉設(shè)計(jì)概交通盡紅綠朋燈控腰制器絨。實(shí)驗(yàn)決內(nèi)容5/攀18元/2防02超331仿真使輸恢入信綱號(hào)均趨無效乏，仿聞?wù)嬷镣缴僖荒虃€(gè)循讀環(huán)周友期的歐正常升運(yùn)行菌狀態(tài)累。觀匪察狀魯態(tài)機(jī)st灣at擋e[斥1.墊.0私]以及渴輸出紛信號(hào)f1光s、f2綢s、s1頭[2斷..磚0]和s2霉[2抖..遍0]的變述化。省將仿粱真結(jié)暗果保玩存為tr母gl便_t納op螺(n準(zhǔn)or顏ma塞l)村.v樣wf。正常忽運(yùn)行帽時(shí)的框仿真梨參考駐波形來一：5/拐18婦/2兇02半332正常貍運(yùn)行沸時(shí)的襖仿真哄參考厲波形唉二（21籃0秒為藍(lán)一周浪期）莫：5/休18脈/2御02礦333在不理同的伏時(shí)段聞給定甘不同類的輸電入信抱號(hào)，桑在每糠種情支況下哄觀察鑄狀態(tài)捆機(jī)st掠at聰e[甩1.辭.0濤]以及免輸出倚信號(hào)f1捐s、f2蟻s、s1布[2慨..魚0]和s2糕[2帖..恥0]的變?yōu)V化.5/編18貼/2洪02納334設(shè)計(jì)惜下載育用頂奴層文板件仿真短完全譽(yù)正確臟后，翻在原前設(shè)計(jì)臺(tái)基礎(chǔ)校上增蔽加時(shí)樓鐘分盾頻模王塊，醋將輸性入時(shí)業(yè)鐘fc血lk=迷50肅MH芹z分頻雀為f貧=肅1H鍵z，即T級(jí)=件1s，形成省下載雅用頂躍層文哲件（駁可以喂為圖鄭形設(shè)原計(jì)文肝件或.v文本融設(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