EDA實(shí)驗(yàn)教程紅綠燈課件

1、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 艾明晶第1頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/20221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)告第2頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/20222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)康牡?頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/20223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

2、塞車輛。具體功能要求如下 ：實(shí)驗(yàn)要求第4頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/20224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 第5頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/20225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(lái)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

3、向處于人工放行的狀態(tài)，應(yīng)有指示燈指示這一情況。第6頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/20226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)。第7頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/20227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)inite State machine）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Verilog HDL中采用ca

4、se、if-else語(yǔ)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)原理第8頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/20228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(wú)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)。 第9頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/20229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

5、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)第10頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202210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 第11頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202211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(jiǎn)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(lái)表示這N個(gè)狀態(tài) 采用N個(gè)觸發(fā)器來(lái)表示這N個(gè)狀態(tài)稱為一位熱碼狀態(tài)機(jī)編碼（One-Hot State Machine Enco

6、ding）。 第12頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202212 采用Verilog HDL語(yǔ)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(yǔ)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)。 第13頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202213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）。 第14頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202214輸出信號(hào) f1s、f2s

7、：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；s12.0、s22.0：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。 第15頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202215設(shè)計(jì)思路根據(jù)其功能要求（如正常運(yùn)行狀態(tài)下的交通燈自動(dòng)轉(zhuǎn)換規(guī)律，人工放行功能及限制規(guī)則），確定其輸出信號(hào)，以便控制兩組交通燈的亮或滅，并在交通崗內(nèi)向交通警察顯示人工放行的狀態(tài)。該控制器的邏輯模型可分為三個(gè)部分：工作狀態(tài)控制器、操作規(guī)則實(shí)現(xiàn)電路以及紅綠燈信號(hào)生成器。 第16頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202216(1)工作狀態(tài)控制器 功能：根據(jù)輸入信號(hào)（f1、f2和reset）確定系統(tǒng)

8、當(dāng)前的工作狀態(tài)是為“正常運(yùn)行”狀態(tài)或“A一直放行”或“B一直放行”狀態(tài)。 工作狀態(tài)控制器是一個(gè)簡(jiǎn)單的具有三狀態(tài)（normal,fr1,fr2）的有限狀態(tài)機(jī)。其輸入分別為人工放行A方向的控制信號(hào)f1、人工放行B方向的控制信號(hào)f2及復(fù)位信號(hào)reset（均為高有效），其輸出為人工控制時(shí)A方向、B方向的放行狀態(tài) .預(yù)習(xí)時(shí)請(qǐng)畫(huà)出其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。想一想，工作狀態(tài)控制器為Mealy型狀態(tài)機(jī)還是Moore型狀態(tài)機(jī)，為什么？ 第17頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202217（2）操作規(guī)則實(shí)現(xiàn)電路 功能：根據(jù)交通紅綠燈控制器的功能要求，確定不同工作狀態(tài)下計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)值。可用8位計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)計(jì)數(shù)。正常運(yùn)行時(shí)，計(jì)數(shù)器按照規(guī)

9、定的定時(shí)要求加1計(jì)數(shù)；若要人工放行某方向，只要使計(jì)時(shí)器運(yùn)行到該放行狀態(tài)的最后一刻時(shí)，計(jì)時(shí)器保持此時(shí)的計(jì)數(shù)值，使紅綠燈信號(hào)生成器暫停狀態(tài)的轉(zhuǎn)移即可。 第18頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202218設(shè)計(jì)技巧：將放行某方向的整個(gè)時(shí)間（50s）分為兩段，前30s為正常運(yùn)行狀態(tài)下的最小放行時(shí)間，計(jì)時(shí)器正常計(jì)數(shù)；后20s為允許人工放行時(shí)間，可根據(jù)工作狀態(tài)控制器的狀態(tài)機(jī)（f1s和f2s）進(jìn)行判斷，是否欲人工放行另一方向，或是繼續(xù)放行原方向，或是正常運(yùn)行，然后根據(jù)判斷結(jié)果來(lái)確定計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)值。 (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

10、)正常運(yùn)行限制規(guī)則示意圖 第19頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202219（3）紅綠燈信號(hào)生成器 功能：根據(jù)定時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值來(lái)確定紅綠燈信號(hào)的輸出。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的狀態(tài)機(jī)，共有10個(gè)不同狀態(tài)，有6個(gè)輸出，為s12.0和s22.0，分別用于控制A、B兩個(gè)方向的紅、黃、綠燈的亮或滅?？梢詫?duì)照?qǐng)D5-1“正常運(yùn)行狀態(tài)下兩組交通燈自動(dòng)轉(zhuǎn)換規(guī)律”，根據(jù)計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)值來(lái)確定紅綠燈信號(hào)生成器的輸出。注意計(jì)時(shí)器的一個(gè)工作循環(huán)為一個(gè)正常的紅綠燈工作周期，即210秒。 預(yù)習(xí)時(shí)請(qǐng)畫(huà)出其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。第20頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202220設(shè)計(jì)方案的選擇 圖文混合設(shè)計(jì)方法：先將電路劃分為幾個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊由Verilog H

11、DL語(yǔ)言描述實(shí)現(xiàn)，然后生成邏輯符號(hào)，頂層文件采用圖形文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。 純文本描述方法：每個(gè)子模塊和頂層電路的連接關(guān)系都采用Verilog HDL語(yǔ)言描述實(shí)現(xiàn)，對(duì)子模塊的調(diào)用采用模塊元件例化的方法。 第21頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202221實(shí)驗(yàn)方案方案一1. 設(shè)計(jì)思路根據(jù)控制器的邏輯模型，將整個(gè)電路分為3個(gè)子模塊，即工作狀態(tài)控制器state_ctrl.v、操作規(guī)則實(shí)現(xiàn)電路rule.v和紅綠燈信號(hào)生成器sig_gen.v，它們均采用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。然后形成頂層圖形設(shè)計(jì)文件trgl_top.bdf。 第22頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202222工作狀態(tài)控制器state_ctrl.v 第23頁(yè)

12、，共39頁(yè)。8/4/202223操作規(guī)則實(shí)現(xiàn)電路rule.v 第24頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202224紅綠燈信號(hào)生成器sig_gen.v 第25頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202225頂層圖形設(shè)計(jì)文件trgl_top.bdf第26頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/2022262. 對(duì)trgl_top.bdf進(jìn)行時(shí)序仿真。 3. 創(chuàng)建下載用頂層文件將trgl_top.bdf另起名保存（如trgl_top_p.bdf），并在其時(shí)鐘輸入引腳后增加時(shí)鐘分頻模塊clkdiv_50MHz_to_1Hz，將輸入時(shí)鐘fclk = 50MHz分頻為f = 1Hz，即T =1s。編譯，引腳鎖定。 第27頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202

13、227編程下載文件trgl_top_p.bdf 第28頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202228方案二1. 設(shè)計(jì)思路 將控制器的三部分電路有機(jī)地結(jié)合到一起，用一個(gè)文件采用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，文件名為trgl2.v。其中用到了兩個(gè)reg型中間變量： （1）state：工作狀態(tài)控制狀態(tài)機(jī)，具有3個(gè)狀態(tài)（normal, fr1, fr2）。 （2）8位寄存器cnt7.0：用于紅綠燈信號(hào)生成器的定時(shí)計(jì)數(shù)。采用3個(gè)always模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)這三部分電路（實(shí)際上就是將方案一中的3個(gè)子模塊的Verilog HDL描述放到一個(gè)文本文件中）。第29頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/2022292. 在Quartus中進(jìn)行時(shí)

14、序仿真 3. 設(shè)計(jì)下載用頂層文件，編程下載 采用Verilog HDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)頂層文件 引腳鎖定，編程下載 .第30頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202230分別畫(huà)出工作狀態(tài)控制器和紅綠燈信號(hào)生成器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，操作規(guī)則實(shí)現(xiàn)電路的程序流程圖 采用方案一或方案二（有余力的同學(xué)也可以兩種方案都采用），按實(shí)驗(yàn)要求給出的功能要求設(shè)計(jì)交通紅綠燈控制器。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容第31頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202231仿真 使輸入信號(hào)均無(wú)效，仿真至少一個(gè)循環(huán)周期的正常運(yùn)行狀態(tài)。觀察狀態(tài)機(jī)state1.0以及輸出信號(hào)f1s、f2s、s12.0和s22.0的變化。將仿真結(jié)果保存為trgl_top(normal).vwf。 正常運(yùn)行時(shí)

15、的仿真參考波形一：第32頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202232正常運(yùn)行時(shí)的仿真參考波形二（210秒為一周期）：第33頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202233在不同的時(shí)段給定不同的輸入信號(hào)，在每種情況下觀察狀態(tài)機(jī)state1.0以及輸出信號(hào)f1s、f2s、s12.0和s22.0的變化.第34頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202234設(shè)計(jì)下載用頂層文件 仿真完全正確后，在原設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加時(shí)鐘分頻模塊，將輸入時(shí)鐘fclk = 50MHz分頻為f = 1Hz，即T = 1s，形成下載用頂層文件（可以為圖形設(shè)計(jì)文件或.v文本設(shè)計(jì)文件）。對(duì)下載用頂層文件進(jìn)行全編譯。 第35頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202235引腳鎖定 本實(shí)驗(yàn)

16、采用模式3所有按鍵為琴鍵式按鍵，即當(dāng)按下鍵時(shí)，輸出為高電平；當(dāng)松開(kāi)鍵時(shí)，輸出為低電平?？赏ㄟ^(guò)按下鍵的時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)控制正脈沖的寬度。 clk：系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，50MHz，接FPGA引腳Pin28。注意應(yīng)將下圖中的J6插到Clock0的位置，并將實(shí)驗(yàn)箱右下角“時(shí)鐘頻率選擇”區(qū)域Clock0的時(shí)鐘選擇跳線接到50MHz的位置。 第36頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202236編程下載 利用GW48-SOPC+開(kāi)發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的編程下載。編程器件為EP1C12Q240C8。使用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上的晶振提供的全局時(shí)鐘信號(hào)（fclk = 50MHz）（Pin28），用琴鍵式按鈕開(kāi)關(guān)鍵1、鍵2和鍵3（均為高有效）實(shí)現(xiàn)人工控制

17、放行A方向和B方向、復(fù)位功能，用8個(gè)發(fā)光二極管（高有效）D1D8，分別顯示輸出信號(hào)s12.0、s22.0、f1s和f2s。 第37頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202237在線校驗(yàn) 下載后，仔細(xì)觀察：紅綠燈應(yīng)按設(shè)定的時(shí)間規(guī)律自動(dòng)切換，D1D8八個(gè)LED分別對(duì)應(yīng)的是：A方向的紅黃綠，B方向的紅黃綠，A方向的放行狀態(tài)，B方向的放行狀態(tài)。 然后按下鍵1，表示欲人工放行A方向，則相應(yīng)LED有顯示；同時(shí)兩個(gè)方向的紅綠燈按正常運(yùn)行規(guī)律自動(dòng)切換，當(dāng)運(yùn)行到放行A方向時(shí)，則保持放行該方向。再按下鍵2，表示欲人工放行B方向，則相應(yīng)LED有顯示；同時(shí)兩個(gè)方向的紅綠燈按正常運(yùn)行規(guī)律自動(dòng)切換，當(dāng)運(yùn)行到放行B方向時(shí)，則保持放行該方向。 再按下鍵3，表示清除人工方向的控制，則交通燈開(kāi)始自動(dòng)轉(zhuǎn)換紅黃綠燈的狀態(tài)。 第38頁(yè)，共39頁(yè)。8/4/202238給出紅綠燈信號(hào)生成器和工作狀態(tài)控制器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，以及操作規(guī)則實(shí)現(xiàn)電路的程序流程圖。 給出控制器邏輯模型的仿真波形的截圖，并根據(jù)仿真結(jié)果詳細(xì)分析交通