该文章为汇总文章Verilog学习代码总结的状态机——交通灯部分。
该状态机为mealy型时序电路。
采用三段式设计方式。
题目
设计一个交通灯控制器。一个十字交叉路口，东西方向为主干道(HighWay)，南北方向为副干道(CountryWay) 。副干道车辆很少，因此在交叉路口处有车辆探测器(Sensor) ，可以判断副干道是否有车。如果没有车，则主干道始终绿灯(Green) ;如果副干道有车，则在主干道通行40秒后，主干道红灯(Red)，而副干道绿灯，通行时间为20秒。这时无论副干道有无车，副干道都要红灯，而主干道绿灯。从绿灯到红灯的转换中间有4秒黄灯(Yellow) 。
要求:
1.画出有限状态机，标明状态转换条件;
2.写出程序代码，标注说明和解释;
3.写出验证程序，对设计进行全面的验证。
状态转换图
源代码
该程序源代码分为2子模块（计数器模块+交通灯模块）+顶模块
计数器模块
module counter(out,clk,enable,rst);
output[6:0] out;
input clk, rst,enable;
reg[6:0] out;
always @ (posedge rst or posedge clk) begin
if (rst) begin
out <= 8'b0;
end else if (enable) begin
out <= (out + 1)%69;
end
end
endmodule
交通灯模块
module light(highWay,countryWay,counter_enable,clk,rst,senor,count);
input clk,rst,senor;
input [6:0] count;
output counter_enable;
output [1:0] highWay,countryWay;
reg counter_enable;
reg [1:0] highWay,countryWay;
//标志计数状态
wire [6:0] count;
//主干状态，副干状态与之对应
reg [1:0] cur_state,next_state;
//灯输出结果常量
parameter GREEN = 2'b00,
YELLOW = 2'b01,
RED = 2'b11;
//状态常量
parameter PASS = 2'b00,
WAIT1 = 2'b01,
WAIT2 = 2'b10,
STOP = 2'b11;
//根据下一状态或重置改变现在状态
always @(posedge rst or posedge clk) begin
if(rst) begin
cur_state <= PASS;
next_state <= PASS;
counter_enable <= 0;
end else begin
cur_state <= next_state;
end
end
//不同状态不同输出
always @(cur_state) begin
case (cur_state)
PASS:begin
highWay = GREEN;
countryWay = RED;
end
WAIT1:begin
highWay = YELLOW;
countryWay = YELLOW;
end
WAIT2:begin
highWay = YELLOW;
countryWay = YELLOW;
end
STOP:begin
highWay = RED;
countryWay = GREEN;
end
default: begin
highWay = GREEN;
countryWay = RED;
end
endcase
end
//根据输入改变下一预设状态
always @(senor or count) begin
next_state = PASS;
case (cur_state)
PASS:begin
if (senor) begin
if (count==40) begin
next_state = WAIT1;
end
counter_enable = 1;
end else begin
counter_enable = 0;
end
end
WAIT1:begin
next_state = (count==44)?STOP:WAIT1;
end
WAIT2:begin
next_state = (count==68)?PASS:WAIT2;
end
STOP:begin
next_state = (count==64)?WAIT2:STOP;
end
endcase
end
endmodule
顶层模块
module top(highWay,countryWay,clk,rst,senor);
input clk,rst,senor;
output [1:0] highWay,countryWay;
wire counter_enable;
wire [6:0] count;
light i1(.highWay(highWay),.countryWay(countryWay),
.counter_enable(counter_enable),
.clk(clk),.rst(rst),
.senor(senor),.count(count));
counter c1(.out(count),.clk(clk),
.enable(counter_enable),.rst(rst));
endmodule
注意：当前代码中，默认了主干副干状态相互对应，red(主)-green(副)，yellow(主)-yellow(副)，green(主)-red(副)。
但实际上不是这样。
很多交通灯设计时，只有在red->green时需要穿插一个黄灯，正如题干最后一句。所以我这样的设计实际上是不符合题干要求的。
如果你想做一个更符合实际的，那么你需要再增加两个变量：cur_state2 和next_state2来保存副干状态。同时将状态机中的WAIT1状态删去，使得PASS直接指向STOP。
测试代码
`timescale 1ns/1ns
module tb_light;
reg clk,rst,senor;
wire [1:0] highWay,countryWay;
parameter INTERVAL = 10;
//初始化各值
initial begin
clk = 1'b0;
rst = 1'b0;
senor = 1'b0;
end
//设定时钟周期
initial
forever #(INTERVAL/2) clk = ~clk;
//重置模块
initial begin
#INTERVAL rst = 1;
#INTERVAL rst = 0;
end
initial begin
//测试副干有车情况
#(5*INTERVAL) senor = 1'b1;
//测试副干无车情况
#(60*INTERVAL) senor = 1'b0;
#(100*INTERVAL) $finish;
end
//实例化模块
top t1(highWay,countryWay,clk,rst,senor);
endmodule
注意：交通灯模块中是用senor来判断是否在计时状态的。如果测试代码中，使senor=0时是在主干PASS的状态（senor=0意味着副干车没了，在主干PASS的状态下，副干原本的车突然没了？路口调头怕是来不及吧……所以本身算是一个伪命题——当然这排除了设备出故障情况），注意到交通灯模块并没有对计数器模块进行清零，所以下一次使senor=1时，主干通行时间可能会小于40S。
模拟仿真
