Лабораторные работы. Неелова / Архитектура. Отчет №6
.docxМИНИСТЕРСТВО ЦИФРОВОГО РАЗВИТИЯ, СВЯЗИ И МАССОВЫХ КОММУНИКАЦИЙ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ ИМ. ПРОФ. М.А. БОНЧ-БРУЕВИЧА» (СПбГУТ)
ФАКУЛЬТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И ПРОГРАММНОЙ ИНЖЕНЕРИИ (ИТПИ)
КАФЕДРА ПРОГРАММНОЙ ИНЖЕНЕРИИ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ (ПИ И ВТ)
Дисциплина: «Архитектура распределенных вычислительных систем»
Лабораторная работа №6.
Тема: «Программное проектирование конечного автомата для турникета метро»
Выполнили:
студенты группы ИКПИ-32
Кларк А. Е.
Блинов И. С.
Яковлев М. А.
Приняла:
Неелова О. Л.
Подпись ______________
Санкт-Петербург
2025
Цель работы
Изучение методов программного проектирования конечных автоматов на примере создания управляющего устройства для турникета метрополитена. Определение количества состояний автомата, условий перехода между ними и действий, выполняемых в каждом состоянии для обработки данных карты, проверки баланса и управления доступом.
Необходимо записать программу функционирования конечного автомата, который имитирует работу турникета в метрополитене. Автомат для прохода в метро работает следующим образом: S0 – начальное состояние, затем S1 – ожидание карты с индикацией «__», при приложении карты (тумблер Т1) через переход в S2 – чтение карты с индикацией «__» в течение 2 тактов, баланс определяется положением тумблеров через таблицу перекодировки, затем S3 – индикация остатка баланса после вычета тарифа в течение 3 тактов с переходом в S4 при достаточном балансе или возврат в S1 при недостаточном, S4 – вход разрешен с выходом G (турникет открыт) на 4 такта, после чего возврат в S1.
Рисунок 1. Схема проектируемого устройства
Ход выполнения
Файл coder.v : модуль coder выполняет преобразование 4-битного входного двоичного числа (data) в код для семисегментного индикатора (seg). Дополнен символами для отображения статуса карты.
module coder
(input wire [3:0] data,
output wire[6:0] seg);
reg [6:0]code;
assign seg=code;
always @*
case(data)
4'b0000: code = 7'b1000000; // 0
4'b0001: code = 7'b1111001; // 1
4'b0010: code = 7'b0100100; // 2
4'b0011: code = 7'b0110000; // 3
4'b0100: code = 7'b0011001; // 4
4'b0101: code = 7'b0010010; // 5
4'b0110: code = 7'b0000010; // 6
4'b0111: code = 7'b1111000; // 7
4'b1000: code = 7'b0000000; // 8
4'b1001: code = 7'b0010000; // 9
4'b1010: code = 7'b0111111; // _
4'b1011: code = 7'b1000010; // G
4'b1100: code = 7'b1000111; // L
default: code = 7'b1111111; // выключено
endcase
endmodule
Файл divider.v: модуль divider реализует программируемый делитель частоты. Используется для замедления работы автомата до видимой скорости.
module divider
#(parameter DIVIDER = 2000000)
(
input wire clk_in,
input reset,
output reg clk_out = 0
);
reg [31:0] counter = 0;
always@(posedge clk_in or posedge reset)
begin
if (reset) begin
counter <= 0;
clk_out <= 0;
end else begin
if (counter == DIVIDER - 1)
begin
counter <= 0;
clk_out <= ~clk_out;
end
else
begin
counter <= counter + 1;
end
end
end
endmodule
Файл metro_fsm2.v: модуль metro_fsm реализует конечный автомат, управляющий логикой работы турникета.
module metro_fsm(
input clk,
input reset,
input T1,
input [2:0] balance,
output reg [3:0] seg_data,
output reg [3:0] seg_data1
);
reg [2:0] state;
reg [2:0] cnt;
reg [2:0] current_balance;
parameter INIT = 0, WAIT_CARD = 1, READ_CARD = 2, DISPLAY_BALANCE = 3, ACCESS_GRANTED = 4;
parameter TARIFF = 3;
always @(posedge clk or posedge reset)
begin
if (reset)
state <= INIT;
else begin
case (state)
INIT: state <= WAIT_CARD;
WAIT_CARD: if (T1 && cnt == 2'd0) state <= READ_CARD;
READ_CARD: if (cnt == 2'd1) state <= DISPLAY_BALANCE;
DISPLAY_BALANCE:
if (cnt == 2'd2) begin
if (current_balance >= TARIFF)
state <= ACCESS_GRANTED;
else
state <= WAIT_CARD;
end
ACCESS_GRANTED:
if (cnt == 2'd3) state <= WAIT_CARD;
default: state <= INIT;
endcase
end
end
always @(posedge clk )
begin
case (state)
INIT: begin
cnt <= 2'd0;
seg_data <= 4'b1010;
seg_data1 <= 4'b1111;
current_balance <= 3'b000;
end
WAIT_CARD: begin
seg_data <= 4'b1010;
seg_data1 <= 4'b1111;
end
READ_CARD: begin
if (cnt == 2'd1) begin
cnt <= 2'd0;
current_balance <= balance;
end else begin
cnt <= cnt + 2'd1;
end
seg_data <= 4'b1010;
end
DISPLAY_BALANCE: begin
if (cnt == 2'd2)
cnt <= 2'd0;
else
cnt <= cnt + 2'd1;
if (current_balance >= TARIFF)
seg_data <= current_balance - TARIFF;
else
seg_data1 <= 4'b1100;
end
ACCESS_GRANTED: begin
if (cnt == 2'd3)
cnt <= 2'd0;
else
cnt <= cnt + 2'd1;
seg_data1 <= 4'b1011;
end
default: begin
cnt <= 2'd0;
seg_data <= 4'b1010;
end
endcase
end
endmodule
Файл top_metro.v: модуль top_metro является верхнеуровневым и осуществляет интеграцию всех компонентов системы.
module top_metro(
input clk,
input reset,
input T1,
input [2:0] balance,
output [6:0] seg_out,
output [6:0] seg_out1
)
wire slow_clk;
wire [3:0] fsm_seg_data;
wire [3:0] fsm_seg_data1;
// Делитель частоты
divider div_inst (
.clk_in(clk),
.reset(reset),
.clk_out(slow_clk)
);
// Конечный автомат метро
metro_fsm fsm_inst (
.clk(slow_clk),
.reset(reset),
.T1(T1),
.balance(balance),
.seg_data(fsm_seg_data),
.seg_data1(fsm_seg_data1)
);
// Декодеры для 7-сегментных индикаторов
coder seg_decoder (
.data(fsm_seg_data),
.seg(seg_out)
);
coder seg_decoder1 (
.data(fsm_seg_data1),
.seg(seg_out1)
);
endmodule
Файл metro_tb.v: модуль metro_tb служит для проверки корректности работы системы.
module metro_tb;
// Входы
reg clk;
reg reset;
reg T1;
reg [2:0] balance;
// Выходы
wire [6:0] seg_out;
wire [6:0] seg_out1;
top_metro uut (
.clk(clk),
.reset(reset),
.T1(T1),
.balance(balance),
.seg_out(seg_out),
.seg_out1(seg_out1)
);
initial begin
clk = 0;
forever #10 clk = ~clk;
end
// Test
initial begin
reset = 1;
T1 = 0;
balance = 3'b000;
#100;
reset = 0;
// Test 1
#100;
T1 = 1;
balance = 3'b111;
#200;
T1 = 0;
#500;
// Test 2
T1 = 1;
balance = 3'b100;
#200;
T1 = 0;
#800;
// Test 3
T1 = 1;
balance = 3'b001;
#200;
T1 = 0;
#800;
$finish;
end
endmodule
Временная диаграмма. На временной диаграмме представлена работа спроектированного конечного автомата для турникета метро. В начальный момент времени активен сигнал сброса (reset). После снятия сигнала сброса автомат начинает свою работу, последовательно переходя из одного состояния в другое в соответствии с заданным алгоритмом.
После снятия сброса автомат переходит в состояние WAIT_CARD. При активации сигнала T1 (прикладывание карты), автомат переходит в состояние READ_CARD, где происходит фиксация баланса. В состоянии DISPLAY_BALANCE происходит проверка баланса. Если баланс достаточен (как в тестах 1 и 2), на индикаторе seg_out отображается новый баланс (4 и 1 соответственно), а на seg_out1 — символ «G», и автомат переходит в ACCESS_GRANTED. Если баланс недостаточен (тест 3), на seg_out1 отображается символ «L», и автомат возвращается в WAIT_CARD.
Диаграмма демонстрирует корректность переходов между состояниями, работу счетчика задержек и формирование правильных выходных сигналов для индикаторов в зависимости от входных данных.
Рисунок 2. Wave
Вывод
В ходе выполнения лабораторной работы был успешно спроектирован и исследован конечный автомат, реализующий алгоритм контроля доступа для турникета метрополитена. Разработанное устройство демонстрирует корректную работу всех функциональных модулей.