大家好，我是讯享网，很高兴认识大家。
讯享网

今天一门课程需要用verilog HDL设计一个硬件的电路，然后自己试着用状态机写(事实上有更偷懒的写法，比如枚举波形)。到最后自己写的情况一地鸡毛，不仅提交的时间迟了很多，而且提交上的代码也是一地鸡毛，仿真波形尽管说基本功能正确，但是还是有一些瑕疵。最终赌气重写了代码，一边写一边反思，最终代码正确实现了我所构想的全部功能。

我觉得之前的设计之所以出问题，很大的原因在于我还是没真正的理解状态机，不能抓住代码到底实现一个实际电路的方法。以下是设计思路和一些反思。之前也看了一篇状态机的文章，感觉那个讲的还很好，当时也挺有收获。放这里一同参考。

万物基于状态机

硅农，公众号：硅农万物基于状态机——状态机大法好

第一节         题目要求

设计一个交通信号灯控制器

要求：

1、东西方向和南北方向各有4盏灯，分别为左拐灯、绿灯、黄灯和红灯；

2、东西方向信号灯的时间为：红灯55s，黄灯5s，绿灯40s，左拐灯15s；南北方向信号灯的时间为：红灯65s，黄灯5s，绿灯30s，左拐灯15s；

3、提交控制器程序和测试程序，观测仿真波形，并对仿真波形做分析，说明设计的正确性。

第二节         代码原理

1、以下简称东西方向的红黄绿左拐灯分别为WER、WEY、WEG、WEL;同样的，南北方向的信号灯依上述顺序简称为SNR,SNY,SNG,SNL;

2、交通信号灯在一方红灯的时候，另一方才能做亮绿灯，红灯，左拐灯的动作。根据日常的交通规范，当一侧红灯亮起的时候，另一侧信号灯依次执行待转区域左转信号发出、黄灯、直行或右转信号发出、黄灯。根据题目所给时间，恰好与这样的交通灯行为吻合。因此，本次设计将以上述规则为主。

3、本次设计将设计两层的状态机，第一层状态机控制两个方向的红灯，当一方红灯的计时结束则改变状态使另一侧红灯亮起。在此基础上，嵌套的子状态机控制一方红灯亮起时另一方信号灯的动作。按照第二条所给的设计规则，来设计状态的跳转。具体的状态转换图如下：

其中，SNR内的状态与WER很相似。

我一开始脑子里直接套三段式，第一段初始化并定义状态，第二段写一个状态下的各个动作，比如在这次的作业里，我第一次写，我第一段用一个边沿信号写时序部分(寄存器)，第二段我用state做敏感源来跳转状态，第三段写它的动作。

问题便出在第二段，我在里边写了一个计数。即在某一个状态下要count=count+1。再然后，我写了一个用count来判断是否进行状态跳转。这一块的所有使得在第二段的组合逻辑电路里，实际上构建了一个没什么动作的死循环：状态的跳转依赖计数器的计数到达某一个值，而计数器计数又靠敏感事件列表驱动。伪代码如下：

always@(state)case(state)0:    if(count    begin     count<=count+1;     next_state<=1;    end     else        next_state=1;     ........        

讯享网

这个错误我并未意识到，以至于我花费大量的时间用来改其他的东西，导致波形该咋样依旧咋样。而且改的过程中有很多明明知道没必要改的地方，也改了，心想着碰碰运气万一就好了。这种心态我觉得来源于之前写64位乘法器的时候，瞎改了一个自己认为对的地方，然后盘活了全局。至于那个，还是和这次一样，对于verilog HDL的储备不够。

为了实现我上图所示的状态转换图，综合出一个称心如意的电路，重写的版本我把三段式的第一第二段合并了。也即在同一个敏感事件列表里我实现状态的跳转和计数。这样一来，我盘活了整个代码。代码如下：

讯享网`timescale 1ns/1ns module signalLED(rst,clk,WEcount,SNcount,WER,WEG,WEL,WEY,SNR,SNG,SNL,SNY);//输入信号：时钟信号和复位信号input clk,rst;//输出信号：信号灯上的计时信号output reg [6:0] WEcount,SNcount;//输出信号：南北方向信号灯上的信号output reg SNR,SNG,SNL,SNY;//输出信号：东西方向信号灯上的信号output reg WER,WEG,WEL,WEY;//触发信号，使得外层状态机进行循环reg [6:0] cnt;//外层状态机的状态和下次状态reg outstate; //参数：灯的亮暗parameter ON = 1'b0; //信号灯亮parameter OFF = 1'b1; //信号灯灭 //状态转换，组合逻辑 always@(posedge clk or negedge rst) if(!rst) begin outstate <=1'b0; cnt<=7'd0; SNcount<=0; WEcount<=0; end else case(outstate) 1'b0: begin //东西方向红灯计时55秒钟以后，计时清零，状态跳转到南北方向的红灯 if(cnt==7'd55) begin cnt<=0; outstate<=1'b1; SNcount<=0; WER<=OFF; SNR<=ON; end //否则东西方向红灯计时继续，红灯不变 else begin cnt<=cnt+1; outstate<=1'b0; WEcount<=WEcount+1; WER<=ON; SNR<=OFF; end end 1'b1: begin //南北方向红灯计时65秒钟以后，计时清零，状态跳转到南北方向的红灯 if(cnt==7'd65) begin cnt=0; outstate=1'b0; WEcount=0; WER<=OFF; SNR<=ON; end //否则东西方向红灯计时继续，红灯不变 else begin cnt=cnt+1; outstate=1'b1; SNcount=SNcount+1; WER<=ON; SNR<=OFF; end end default:$display("error1"); endcase always@(outstate or cnt) case(outstate) 1'b0: begin //东西方向红灯计时过程中，南北方向的信号转换 //绿灯先开始计时，并亮灯 if(cnt==7'd0) begin SNcount<=0; SNG<=1; SNL<=0; SNY<=0; end //绿灯亮灯中 else if(cnt<7'd30) begin SNcount<=SNcount+1; SNG<=1; SNL<=0; SNY<=0; end //黄灯开始亮灯并计时 else if(cnt==7'd30) begin SNcount<=0; SNG<=0; SNL<=0; SNY<=1; end //黄灯亮灯 else if(cnt<7'd35) begin SNcount<=SNcount+1; SNG<=0; SNL<=0; SNY<=1; end //左转信号灯开始亮灯，并计时 else if(cnt==7'd35) begin SNcount<=0; SNG<=0; SNL<=1; SNY<=0; end //左转信号灯亮灯中 else if(cnt<7'd50) begin SNcount<=SNcount+1; SNG<=0; SNL<=1; SNY<=0; end //第二次黄灯开始亮灯，并开始计时 else if(cnt==7'd50) begin SNcount<=0; SNG<=0; SNL<=0; SNY<=1; end //黄灯亮灯中 else if(cnt<7'd55) begin SNcount<=SNcount+1; SNG<=0; SNL<=0; SNY<=1; end //亮灯结束 else begin SNG<=0; SNL<=0; SNY<=0; end end 1'b1: begin //南北方向红灯计时过程中，东西方向的信号转换 //绿灯先开始计时，并亮灯 if(cnt==7'd0) begin WEcount<=0; WEG<=1; WEL<=0; WEY<=0; end //绿灯亮灯中 else if(cnt<7'd40) begin WEcount<=WEcount+1; WEG<=1; WEL<=0; WEY<=0; end //黄灯开始亮灯并计时 else if(cnt==7'd40) begin WEcount<=0; WEG<=0; WEL<=0; WEY<=1; end //黄灯亮灯 else if(cnt<7'd45) begin WEcount<=WEcount+1; WEG<=0; WEL<=0; WEY<=1; end //左转信号灯开始亮灯，并计时 else if(cnt==7'd45) begin WEcount<=0; WEG<=0; WEL<=1; WEY<=0; end //左转信号灯亮灯中 else if(cnt<7'd60) begin WEcount<=WEcount+1; WEG<=0; WEL<=1; WEY<=0; end //第二次黄灯开始亮灯，并开始计时 else if(cnt==7'd60) begin WEcount<=0; WEG<=0; WEL<=0; WEY<=1; end //黄灯亮灯中 else if(cnt<7'd65) begin WEcount<=WEcount+1; WEG<=0; WEL<=0; WEY<=1; end //亮灯结束 else begin WEG<=0; WEL<=0; WEY<=0; end end default:$display("error2"); endcaseendmodule module signalLED_tb;// Inputsreg rst;reg clk;// Outputwire SNR,SNG,SNL,SNY;wire WER,WEG,WEL,WEY;// outputwire [6:0] WEcount,SNcount;initialbegin rst= 0; clk = 1;#80; rst= 1;endalways #50 clk = ~clk;//signalLED tarfficLED(.rst(rst),.clk(clk),.WEcount(WEcount),.SNcount(SNcount),.WER(WER),.WEG(WEG),.WEL(WEL),.WEY(WEY),.SNR(SNR),.SNG(SNG),.SNL(SNL),.SNY(SNY));endmodule

总结一下，对于状态机里状态跳转的情况，要注意它跳转的条件是电平触发还是边沿触发，边沿的就合到第一段，电平的就可以放第二段。这样会避免死循环。本质上来说，状态机综合出的电路是两部分的寄存器电路夹了一个组合电路。这是要厘清哪些功能在实际哪个块实现，它会由什么驱动。 此外，电路的跳转需要的一些信号如果无法通过组合逻辑电路实现，也可以不在时序电路里实现，可以单独写module，然后通过使能端来驱动。这样，传统的两段式或者三段式还是可以用的。但是最终，还是得会写一段式。因为一个模块里复杂的话，一段式的构思是比二段式和三段式是要简单的。不过也不是绝对。这是我上述代码的一个改进方向。届时还能实现交通灯的倒数计时。(现在是正数计数)那就是真正实现所有功能的代码。当然，最近估计没时间了。

如上图，信号的跳转正常，符合要求，也符合交规。

计数也正常.