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EDA实验教程红绿灯第1页/共39页 2023/7/102了解交通红绿灯控制器的工作原理。掌握建立状态机的逻辑模型的方法。掌握状态机的实现和多个状态机的组合使用方法 实验目的第2页/共39页 2023/7/103假定十字路口马路的A方向和B方向各有一组红、黄、绿三个灯组成的交通灯，要求设计一个交通红绿灯控制器，实现对这两组交通灯的管理。正常时，交替放行十字交叉路的两个方向，放行时间相等；交通堵塞时，由交通警察人工控制某方向的放行时间，以便按照交通负荷疏导阻塞车辆。具体功能要求如下 ：实验要求第3页/共39页 2023/7/104在正常运行状态下，两组交通灯按以下规律自动进行转换，在不同时刻分别放行不同方向上的车辆： （绿，红）50s?（黄绿，红）5s?（黄，红）20s?（红黄，红）20s?（红，黄）10s ?（红，绿）50s?（红，黄绿）5s?（红，黄）20s?（红，红黄）20s?（黄，红）10s ?（绿，红）50s?…… 第4页/共39页 2023/7/105人工放行：若某一方向发生交通阻塞，则交通警察按下该方向的放行按钮来人工控制放行该方向，则红绿灯自动将相应方向的道路放行，此后不会自动放行另一个方向的道路，直到疏通后，按“恢复到正常状态”按钮，重新进入正常运行状态。如果某方向处于人工放行的状态，应有指示灯指示这一情况。第5页/共39页 2023/7/106人工控制放行遵循如下限制规则：有黄灯亮时，不允许立刻改变放行方向，必须按正常运行到所需放行的方向时，才保持放行该方向；每个方向的放行时间不得小于某一最小值（假定为30秒钟），以免车辆频繁起停。只有在（绿，红）20s和（红，绿）20s状态下，可以人工控制改变放行方向，即直接跳转到下一状态。第6页/共39页 2023/7/107基于状态机的设计有限状态机 有限状态机（FSM，Finite State machine）是时序电路设计中经常采用的一种方式，尤其适合于设计数字系统的控制模块。在Verilog HDL中采用case、if-else语句可以很好地描述基于状态机的设计。 状态机包括组合逻辑部分和寄存器部分。组合逻辑部分又包括次态逻辑和输出逻辑，分别用于状态译码和产生输出信号；寄存器部分用于存储状态。实验原理第7页/共39页 2023/7/108状态机的次态是现态及输入信号的函数，输出信号根据状态机的现态或输入信号而定。状态机可分为两类：摩尔（Moore）型状态机和米里（Mealy）型状态机。Moore型状态机，其输出只为状态机当前状态的函数，而与输入无关。Mealy型状态机，其输出不仅与状态机当前状态有关，而且与输入有关。 第8页/共39页 2023/7/109输出现态次态现态输入次态逻辑状态寄存器输出逻辑输出现态次态现态输入次态逻辑状态寄存器输出逻辑（1）Moore型状态机（2）Mealy型状态机第9页/共39页 2023/7/1010状态机的3种表示方法 状态图、状态表和流程图 输入/输出现态次态输入现态输出次态输出Mealy型状态图的表示 Moore型状态图的表示 第10页/共39页 2023/7/1011起始状态的选择 起始状态指电路复位后所处的状态，选 择一个合理的起始状态将使整个系统简 捷高效。对于有限状态机，必须有时钟 信号和复位信号！状态编码 采用log2N个触发器来表示这N个状态 采用N个触发器来表示这N个状态——称为一位热码状态机编码（One-Hot State Machine Encoding）。 第11页/共39页 2023/7/1012 采用Verilog HDL语言实现基于状态机的设计，就是在时钟信号的触发下，完成两项任务：（1）用case或if-else语句描述出状态的转移；（2）描述状态机的输出信号。 第12页/共39页 2023/7/1013输入信号和输出信号 输入信号clk：时钟信号（fclk = 50MHz）；f1：人工放行A方向的控制信号（由“放行A”按钮产生，高有效）；f2：人工放行B方向的控制信号（由“放行B”按钮产生，高有效）；reset：复位信号（由“恢复到正常状态”按钮产生，高有效）。 第13页/共39页 2023/7/1014输出信号 f1s、f2s：人工控制时A方向、B方向的放行状态，驱动LED，高电平时点亮；s1[2..0]、s2[2..0]：交通灯信号输出，分别用于控制A方向和B方向的红、黄、绿灯的亮或灭，驱动LED，高电平时点亮。 第14页/共39页 2023/7/1015设计思路根据其功能要求（如正常运行状态下的交通灯自动转换规律，人工放行功能及限制规则），确定其输出信号，以便控制两组交通灯的亮或灭，并在交通岗内向交通警察显示人工放行的状态。该控制器的逻辑模型可分为三个部分：工作