## 简易交通灯

本节将向您介绍Verilog语法之中的精髓内容——状态机，并且将利用状态机实现十字路口的交通灯。

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### 1. 硬件说明与实现项目框图

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{{ ::jiaotongdeng.png?300 |}}
//
上图为十字路口交通示意图分之路与主路，要求如下：
* 交通灯主路上绿灯持续15s的时间，黄灯3s的时间，红灯10s的时间；
* 交通灯支路上绿灯持续7s的时间， 黄灯持续3秒的时间，红灯18秒的时间；
//
{{ ::状态机框架.png?300 |}}
//
根据上述要求，状态机设计框架分析如下：
* S1:主路绿灯点亮，支路红灯点亮，持续15s的时间；
* S2:主路黄灯点亮，支路红灯点亮，持续3s的时间；
* S3:主路红灯点亮，支路绿灯点亮，持续10s的时间；
* S4:主路红灯点亮，支路黄灯点亮，持续3s的时间；
//
{{ ::状态示意图.png?500 |}}
//

### 2. Verilog代码

首先是时钟分频部分：
<code verilog>

//********************************************************
//   Copyright(c)2016, STEP FPGA 
//   All rights reserved
//   File name       :   divide.v
//   Module name     :   divide
//   Author          :   STEP
//   Email           :   info@stepfpga.com
//   Data            :   2016/08/01
//   Version         :   V1.0
//   Description     :   
//
//   Modification history
//   ----------------------------------------------------------------------------
// Version       
// Description
//
//********************************************************


//*******************
//DEFINE MODULE PORT
//*******************
module divide
(
	//INPUT
	clk			,
	rst_n			,
	//OUTPUT
	clkout			
);
	//*******************
	//DEFINE PARAMETER
	//*******************
	parameter			WIDTH	=	3;
	parameter			N		=	5;
	
	//*******************
	//DEFINE INPUT
	//*******************
	input 	clk,rst_n;     

    //*******************
	//DEFINE OUTPUT
	//*******************
	output	clkout;
	
	//********************
	//OUTPUT ATTRIBUTE
	//********************
	//REGS
	reg 	[WIDTH-1:0]		cnt_p,cnt_n;
	reg						clk_p,clk_n;

	assign clkout = (N==1)?clk:(N[0])?(clk_p&clk_n):clk_p;
	
	//Sequential logic style
	always @ (posedge clk)
		begin
			if(!rst_n)
				cnt_p<=0;
			else if (cnt_p==(N-1))
				cnt_p<=0;
			else cnt_p<=cnt_p+1;
		end
	
	always @ (negedge clk)
		begin
			if(!rst_n)
				cnt_n<=0;
			else if (cnt_n==(N-1))
				cnt_n<=0;
			else cnt_n<=cnt_n+1;
		end
		
	always @ (posedge clk)
		begin
			if(!rst_n)
				clk_p<=0;
			else if (cnt_p<(N>>1))  
				clk_p<=0;
			else 
				clk_p<=1;
		end

	always @ (negedge clk)
		begin
			if(!rst_n)
				clk_n<=0;
			else if (cnt_n<(N>>1))  
				clk_n<=0;
			else 
				clk_n<=1;
		end
endmodule     
</code>
\\

接下来就是利用三段式状态机实现的交通灯部分：
<code verilog>
// ********************************************************************
// >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>> COPYRIGHT NOTICE <<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<
// ********************************************************************
// File name    : traffic.v
// Module name  : traffic
// Author       : STEP
// Description  : 
// Web          : www.stepfpga.com
// 
// --------------------------------------------------------------------
// Code Revision History : 
// --------------------------------------------------------------------
// Version: |Mod. Date:   |Changes Made:
// V1.0     |2017/03/02   |Initial ver
// --------------------------------------------------------------------
// Module Function:简易交通灯


module traffic
(
	clk		,    //时钟
	rst_n		,    //复位
	out		     //三色led代表交通灯
);

	input 	clk,rst_n;     
	output	reg[5:0]	out;
 
	parameter      	S1 = 4'b00,    //状态机状态编码
			S2 = 4'b01,
			S3 = 4'b10,
			S4 = 4'b11;
	
	parameter	time_s1 = 4'd15, //计时参数
			time_s2 = 4'd3,
			time_s3 = 4'd7,
			time_s4 = 4'd3;
	//交通灯的控制
	parameter	led_s1 = 6'b101011, // LED2 绿色 LED1 红色
			led_s2 = 6'b110011, // LED2 蓝色 LED1 红色
			led_s3 = 6'b011101, // LED2 红色 LED1 绿色
			led_s4 = 6'b011110; // LED2 红色 LED1 蓝色
 
	reg 	[3:0] 	timecont;
	reg 	[1:0] 	cur_state,next_state;  //现态、次态
 
	wire			clk1h;  //1Hz时钟
	
	//产生1秒的时钟周期
	divide #(.WIDTH(32),.N(12000000)) CLK1H (
					.clk(clk),
					.rst_n(rst_n),
					.clkout(clk1h));
	//第一段 同步逻辑 描述次态到现态的转移
	always @ (posedge clk1h or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n) 
			cur_state <= S1;
        else 
			cur_state <= next_state;
	end
	//第二段 组合逻辑描述状态转移的判断
	always @ (cur_state or rst_n or timecont)
	begin
		if(!rst_n) begin
		        next_state = S1;
			end
		else begin
			case(cur_state)
				S1:begin
					if(timecont==1) 
						next_state = S2;
					else 
						next_state = S1;
				end
 
                S2:begin
					if(timecont==1) 
						next_state = S3;
					else 
						next_state = S2;
				end
 
                S3:begin
					if(timecont==1) 
						next_state = S4;
					else 
						next_state = S3;
				end
 
                S4:begin
					if(timecont==1) 
						next_state = S1;
					else 
						next_state = S4;
				end
 
				default: next_state = S1;
			endcase
		end
	end
	//第三段  同步逻辑 描述次态的输出动作
	always @ (posedge clk1h or negedge rst_n)
	begin
		if(!rst_n==1) begin
			out <= led_s1;
			timecont <= time_s1;
			end 
		else begin
			case(next_state)
				S1:begin
					out <= led_s1;
					if(timecont == 1) 
						timecont <= time_s1;
					else 
						timecont <= timecont - 1;
				end
 
				S2:begin
					out <= led_s2;
					if(timecont == 1) 
						timecont <= time_s2;
					else 
						timecont <= timecont - 1;
				end
 
				S3:begin
					out <= led_s3;
					if(timecont == 1) 
						timecont <= time_s3;
					else 
						timecont <= timecont - 1;
				end
 
				S4:begin
					out <= led_s4;
					if(timecont == 1) 
						timecont <= time_s4;
					else 
						timecont <= timecont - 1;
				end
 
				default:begin
					out <= led_s1;
					end
			endcase
		end
	end
endmodule
</code>
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\\  

### 3. 引脚分配

小脚丫上正好有4路按键和4路开关，可以用来作为输入信号分别控制数码管的输出。按照下面表格定义输入输出信号
^信号     ^引脚            ^信号      ^引脚    ^   
|clk      |C1              |rst      |L14     ^
|out[0]   |P2              |out[1]   |N2      ^
|out[2]   |M2              |out[3]   |P4      ^
|out[4]   |N3              |out[5]   |M3      ^
配置好以后编译下载程序。您也可以试试修改程序，观察修改代码对于FPGA内部电路所造成的影响。\\

### 4. 小结

状态机是一类很重要的时序逻辑电路，是许多数字系统的核心部件，掌握状态机的使用是利用FPGA与CPLD进行开发的一项必会技能，本小节的交通灯程序即是利用三段式状态机描述方法实现的，希望读者能够快速掌握这项技能。