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从零开始：用 Vivado 2018.3 实现一个交通灯状态机的完整实战

你有没有过这样的经历？明明代码写得逻辑清晰，仿真也跑通了，结果下载到 FPGA 上就是“不亮”——LED 不动、信号乱跳、状态卡死……最后翻来覆去查手册才发现，原来是某个组合逻辑漏了个赋值，综合器悄悄给你生成了一堆锁存器。

这正是很多初学者在学习FPGA 状态机设计时踩过的坑。而今天我们要做的，不是简单地贴一段 Verilog 代码完事，而是带你从工程创建、编码实现、仿真验证到上板调试，走完一次完整的数字系统开发闭环。我们使用的平台是Vivado 2018.3——这个版本虽然发布于几年前，但因其稳定性高、兼容性强，至今仍被大量高校和企业项目沿用。

我们将以一个经典的Moore 型交通灯控制器为案例，深入剖析状态机的设计思想、编码规范与工具链协作机制。最终目标是：让你不仅能看懂这段设计，还能举一反三，把它迁移到电梯控制、通信协议解析甚至小型 SoC 的主控模块中去。

为什么状态机是 FPGA 开发的“基本功”？

在数字电路的世界里，如果说组合逻辑是“肌肉”，那时序逻辑就是大脑。它决定了系统什么时候做什么事，如何响应外部输入，以及如何维持内部状态。

有限状态机（FSM）正是这种“决策能力”的数学抽象。它的核心在于：当前输出 = f(当前状态)，而状态会根据输入条件发生迁移。这种模型天然适合描述具有阶段性行为的控制系统。

比如我们的交通灯：
- 它不会同时亮绿灯和红灯；
- 每个灯持续一定时间后自动切换；
- 切换顺序固定，且不受瞬时干扰影响。

这些特性完美契合Moore 型状态机的特点：输出只依赖当前状态，抗干扰能力强，时序稳定。

相比之下，Mealy 机虽然状态更少、响应更快，但输出可能随输入突变产生毛刺，在对稳定性要求高的场景下反而不如 Moore 可靠。

所以，掌握状态机设计，本质上是在训练你的系统思维：把复杂流程拆解成离散状态，明确转移条件，定义清晰接口——这是每一个嵌入式工程师都该具备的基本素养。

工程搭建第一步：别急着写代码，先建好“房子”

打开 Vivado 2018.3，点击 “Create Project”。别小看这一步，很多人一开始就埋下了隐患：

❌ 错误示范：工程路径包含中文或空格，如D:\我的设计\traffic light
✅ 正确做法：使用纯英文路径，例如D:/vivado_projects/traffic_ctrl

接着选择 “RTL Project”，勾选Do not specify sources at this time。这样做是为了避免 Vivado 自动添加不必要的模板文件，保持项目干净。

然后选择目标器件。如果你用的是常见的 Basys3 或 Nexys4 DDR 板卡，芯片型号通常是xc7a35tcpg236-1（Artix-7 系列）。务必确认这一点，否则后续引脚约束会出错。

完成之后，你会进入主界面。此时还没有任何源文件，我们需要手动添加两个关键部分：
1. 主模块traffic_controller.v
2. 测试平台tb_traffic_controller.v

右键点击 “Design Sources” → “Add Sources” → “Create File”，依次创建这两个.v文件。

核心设计：交通灯状态机的 Verilog 实现

我们现在要实现的是一个十字路口的双方向控制，周期共 40 秒（为了方便演示，我们将原设定的 30 秒调整为 40 秒模拟，实际应用可按需修改），分为四个状态：

系统时钟为 50MHz（周期 20ns），所以我们需要先做一个分频器，生成一个每毫秒触发一次的tick信号。

分频与定时脉冲生成

reg [19:0] counter; wire tick; always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) counter <= 20'd0; else if (counter == 20'd49999) // 50MHz / 50000 = 1kHz → 1ms counter <= 20'd0; else counter <= counter + 1'b1; end assign tick = (counter == 20'd49999);

这里用了 20 位计数器，最大值为 49999，刚好对应 1ms。注意复位是低电平有效（rst_n），符合大多数开发板按键逻辑。

状态定义与编码方式的选择

我们采用One-Hot 编码：

localparam S0 = 4'b0001; localparam S1 = 4'b0010; localparam S2 = 4'b0100; localparam S3 = 4'b1000;

为什么不选二进制编码？因为在 Artix-7 这类基于查找表（LUT）结构的 FPGA 中，One-Hot 能显著提升状态译码速度。每个状态对应一位，比较判断只需单个 LUT 即可完成，减少了组合逻辑层级，有利于时序收敛。

当然代价是多用了几个触发器（Flip-Flop），但对于只有 4 个状态的小型控制器来说完全可以接受。

主状态机三大模块详解

1. 状态寄存器（同步更新）

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) current_state <= S0; else current_state <= next_state; end

所有状态变化都在时钟上升沿统一进行，保证同步性。

2. 次态逻辑（组合逻辑推导）

always @(*) begin case(current_state) S0: next_state = tick ? S1 : S0; S1: next_state = tick ? S2 : S1; S2: next_state = tick ? S3 : S2; S3: next_state = tick ? S0 : S3; default: next_state = S0; endcase end

这里特别注意两点：
- 使用always @(*)表示敏感列表自动包含所有输入；
- 每个分支都必须有赋值，否则综合器会推断出锁存器（Latch），导致不可预测的行为！

这也是新手最常见的错误之一：忘记处理默认情况或遗漏赋值。

3. 输出逻辑（Moore 型纯状态驱动）

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin if (!rst_n) begin {ew_red, ew_yellow, ew_green} <= 3'b100; {ns_red, ns_yellow, ns_green} <= 3'b100; end else begin case(current_state) S0: begin ew_green <= 1; ew_yellow <= 0; ew_red <= 0; ns_green <= 0; ns_yellow <= 0; ns_red <= 1; end S1: begin ew_green <= 0; ew_yellow <= 1; ew_red <= 0; ns_green <= 0; ns_yellow <= 0; ns_red <= 1; end S2: begin ew_green <= 0; ew_yellow <= 0; ew_red <= 1; ns_green <= 1; ns_yellow <= 0; ns_red <= 0; end S3: begin ew_green <= 0; ew_yellow <= 0; ew_red <= 1; ns_green <= 0; ns_yellow <= 1; ns_red <= 0; end endcase end end

输出完全由current_state决定，且在时钟边沿同步更新，确保无毛刺传播至下游电路。

如何编写可靠的测试平台？

光写功能模块不够，我们必须通过仿真验证其正确性。这就是 Testbench 的作用。

module tb_traffic_controller; reg clk, rst_n; wire ew_red, ew_yellow, ew_green; wire ns_red, ns_yellow, ns_green; // 实例化被测模块 traffic_controller uut ( .clk(clk), .rst_n(rst_n), .ew_red(ew_red), .ew_yellow(ew_yellow), .ew_green(ew_green), .ns_red(ns_red), .ns_yellow(ns_yellow), .ns_green(ns_green) ); // 生成 50MHz 时钟 initial begin clk = 0; forever #10 clk = ~clk; // 周期 20ns end // 复位序列 initial begin rst_n = 0; #20 rst_n = 1; // 20ns 后释放复位 #50_000_000 $finish; // 运行约 1 秒后结束仿真 end // 可选：实时监控状态变化 initial begin $monitor("Time=%0t | State=%b | EW=(%b,%b,%b) NS=(%b,%b,%b)", $time, uut.current_state, uut.ew_red, uut.ew_yellow, uut.ew_green, uut.ns_red, uut.ns_yellow, uut.ns_green); end endmodule

几点建议：
- 在$monitor中打印关键变量，便于快速定位问题；
- 将current_state添加到波形观察窗口（Objects 面板中拖拽即可）；
- 设置时间轴缩放，查看是否每 15ms 和 5ms 准确跳转。

运行仿真后你应该看到类似以下行为：

S0 →（15ms后）→ S1 →（5ms后）→ S2 →（15ms后）→ S3 →（5ms后）→ S0 ...

如果发现状态卡住，优先检查tick是否正常生成；若输出混乱，则回顾组合逻辑是否有未覆盖分支。

综合与实现：让代码真正“落地”

仿真通过只是第一步。接下来才是真正的挑战：把逻辑映射到物理资源上，并满足时序要求。

第一步：运行综合（Run Synthesis）

点击左侧 Flow Navigator 中的 “Run Synthesis”。

Vivado 会将你的 Verilog 转换成通用网表（generic netlist），并生成报告。重点关注：
-资源使用情况：用了多少 LUTs、FFs、Carry chains？
-警告信息：有没有latch inference？如果有，说明组合逻辑不完整！

💡 提示：可以在综合设置中启用 “FSM Encoding Algorithm” 强制指定编码方式（如 One-Hot），但在本例中我们已手动编码，无需依赖综合器优化。

第二步：添加约束文件（XDC）

新建一个constraint.xdc文件，内容如下：

# 时钟输入 set_property PACKAGE_PIN R2 [get_ports clk] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk] # 复位按键（上拉） set_property PACKAGE_PIN J15 [get_ports rst_n] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports rst_n] set_property PULLUP true [get_ports rst_n] # LED 输出（示例映射，请根据实际板卡修改） set_property PACKAGE_PIN H5 [get_ports ew_red] set_property PACKAGE_PIN J5 [get_ports ew_yellow] set_property PACKAGE_PIN T9 [get_ports ew_green] set_property PACKAGE_PIN T8 [get_ports ns_red] set_property PACKAGE_PIN U8 [get_ports ns_yellow] set_property PACKAGE_PIN R7 [get_ports ns_green] set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {ew_* ns_*}]

⚠️ 注意事项：
- 引脚不能重复分配；
- IO Bank 的电压等级要匹配（这里是 3.3V）；
- 若使用差分信号或其他标准（如 LVDS），需相应调整IOSTANDARD。

此外，还需添加时钟约束：

create_clock -period 20.000 -name clk -waveform {0 10} [get_ports clk]

告诉工具这是一个 50MHz 的输入时钟，用于时序分析。

第三步：实现与比特流生成

点击 “Run Implementation”，工具将执行布局布线（Place & Route），决定每个逻辑单元在芯片上的具体位置。

完成后查看Timing Summary Report，确认没有建立（setup）或保持（hold）时间违例。若有违例，可能需要优化设计或降低工作频率。

最后点击 “Generate Bitstream”，输出.bit文件。

下载验证：让灯真的“亮起来”

连接开发板，打开 Hardware Manager，连接到设备，加载生成的比特流。

按下复位按钮（或断电重启），观察 LED 是否按照预设节奏循环点亮：
- 东西向绿灯亮 15 秒 → 黄灯闪 5 秒 → 南北向绿灯亮 15 秒 → 黄灯闪 5 秒 → 循环

如果一切正常，恭喜你！你已经完成了从理论到实践的完整跨越。

调试秘籍：那些没人告诉你却总遇到的问题

1. LED 全灭或常亮？
   - 检查 XDC 文件中引脚是否正确绑定；
   - 查看复位信号是否一直处于低电平（按键接触不良？）；

2. 状态跳得太快或太慢？
   - 确认分频计数器阈值是否为 49999（对应 1ms）；
   - 检查时钟源是否真的是 50MHz；

3. 状态乱跳或卡死？
   - 回顾next_state的case语句是否缺少default；
   - 避免在组合逻辑中使用非阻塞赋值；

4. 综合报出 Latch？
   - 所有reg类型变量在always @(*)中必须全覆盖赋值；
   - 推荐使用unique case或显式列出所有情况。

进阶思考：这个设计还能怎么改进？

• 加入传感器输入：检测某方向是否有车辆等待，动态延长绿灯时间；
• 增加数码管倒计时显示：利用七段译码器输出剩余秒数；
• 支持夜间模式：黄灯闪烁（1Hz）运行；
• 集成到 MicroBlaze 系统中：作为软核外设接受 CPU 控制；
• 改用 SystemVerilog 枚举类型：提升代码可读性与维护性：

typedef enum logic [3:0] { S0 = 4'b0001, S1 = 4'b0010, S2 = 4'b0100, S3 = 4'b1000 } state_t; state_t current_state, next_state;

写在最后：掌握状态机，你就掌握了控制系统的灵魂

我们今天走过的每一步——从创建工程、编写代码、仿真验证到上板调试——都不是孤立的动作，而是一个现代数字系统开发的标准流程。Vivado 2018.3虽然不是最新版本，但它所体现的设计理念、工具架构和工程方法论依然适用于今天的 Vivado 2023.x 乃至 Vitis HLS。

更重要的是，通过这样一个看似简单的交通灯项目，你已经掌握了：
- 如何用状态机建模时序行为；
- 如何写出可综合、易调试的 Verilog 代码；
- 如何利用仿真和约束保障设计可靠性；
- 如何排查常见硬件问题。

这些技能不会因为工具升级而过时，它们是你迈向高级 FPGA 工程师的基石。

如果你正在准备课程设计、毕业项目或求职作品集，不妨把这个例子扩展一下，加点功能、做个 PCB、录个演示视频——你会发现，原来复杂的系统，不过是由一个个清晰的状态构成的。

如果你在实现过程中遇到了其他挑战，欢迎在评论区分享讨论。