02. FSM Design

1. FSM Design Overview

본 프로젝트의 Traffic Signal Controller는 FSM(Finite State Machine)을 기반으로 설계했습니다.

FSM은 현재 state를 저장하고, 입력 조건에 따라 next state를 결정하며, 각 state에 해당하는 출력을 내보내는 구조입니다. 신호등 제어기는 정해진 상태 순서와 입력 조건에 따라 동작해야 하므로 FSM 구조로 설계하기 적합합니다.

기존 Traffic Signal Controller는 S0~S4까지의 상태를 사용했습니다. 본 프로젝트에서는 기능 개선을 위해 Emergency Mode인 S5와 Night OFF Mode인 S6를 추가하여 총 7개의 state를 사용했습니다.

Summary: This controller is designed as a finite state machine with seven states. The original traffic signal sequence is extended with Emergency Mode and Night OFF Mode.

2. State Diagram

아래 그림은 개선된 Traffic Signal Controller의 최종 state diagram입니다.

기존 Traffic Signal Controller의 일반 동작 흐름은 S0 → S1 → S2 → S3 → S4 → S0입니다.

여기에 기능 개선을 위해 두 개의 state를 추가했습니다.

• S5: Emergency Mode
• S6: Night OFF Mode

emergency = 1이 입력되면 어떤 일반 state에 있더라도 S5로 이동하도록 설계했습니다. 또한 Night Mode 중 emergency가 발생하면 S6 → S5로 이동하고, emergency가 종료되었을 때 night_mode = 1이 유지 중이면 다시 S6로 복귀합니다.

Summary: The state diagram extends the original traffic signal controller by adding S5 for Emergency Mode and S6 for Night OFF Mode.

3. State Definition and Output Table

아래 표는 각 state의 encoding과 출력 상태를 정리한 표입니다.

각 state는 Main Highway와 Country Road의 신호등 출력 조합을 의미합니다.

상태는 총 7개이므로 3-bit state register를 사용했습니다. 3-bit는 총 8개의 값을 표현할 수 있으므로, 사용하지 않는 3'b111 상태가 발생할 수 있습니다. 이를 대비해 Verilog 코드에서는 default 조건에서 S0으로 복귀하도록 설계했습니다.

Summary: Seven states are encoded using a 3-bit state register. Since one 3-bit state remains unused, the default case returns the FSM to S0 for safer operation.

4. Output Encoding

신호등 출력은 2-bit 값으로 표현했습니다.

기존 Traffic Signal Controller에서는 Red, Yellow, Green만 사용했지만, 본 프로젝트에서는 Night OFF Mode를 추가하기 위해 남는 출력값인 2'b11을 OFF로 정의했습니다.

따라서 S6에서는 Main Highway와 Country Road가 모두 OFF = 2'b11로 출력됩니다.

Summary: The unused 2-bit output value 2'b11 is defined as OFF and used for Night OFF Mode.

5. Moore FSM Structure

본 프로젝트는 Moore FSM 구조를 따릅니다.

Moore FSM에서는 출력이 입력값에 직접 결정되는 것이 아니라, 현재 state에 의해 결정됩니다. 즉, car_country, emergency, night_mode는 출력값을 직접 만들지 않고, 다음 state를 결정하는 조건으로만 사용됩니다.

예를 들면 다음과 같습니다.

이 구조를 사용하면 입력 변화가 출력에 즉시 반영되는 것이 아니라, state transition을 거쳐 출력이 정해지므로 상태 기반 제어 흐름을 명확하게 만들 수 있습니다.

Summary: The controller uses a Moore FSM structure, where outputs are determined only by the current state, while inputs are used to determine the next state.

6. State Transition Rules

6.1 S0: Main Highway Green / Country Road Red

S0는 기본 상태입니다. Main Highway는 Green이고 Country Road는 Red입니다.

전이 조건은 다음과 같습니다.

S0에서는 emergency가 가장 높은 우선순위를 가지며, 그 다음으로 night mode, 그 다음으로 Country Road 차량 감지를 확인합니다.

6.2 S1: Main Highway Yellow / Country Road Red

S1은 Main Highway가 Green에서 Red로 바뀌기 전에 Yellow를 출력하는 상태입니다.

6.3 S2: Main Highway Red / Country Road Red

S2는 Main Highway와 Country Road가 모두 Red인 상태입니다. 이는 Main Highway에서 Country Road로 통행 우선권이 넘어가기 전의 안정적인 중간 상태로 볼 수 있습니다.

6.4 S3: Main Highway Red / Country Road Green

S3는 Country Road가 Green인 상태입니다. 이 상태에서는 green_count를 이용하여 Country Road Green 유지 시간을 제한합니다.

이 설계를 통해 Country Road에 차량이 계속 감지되어도 Green 상태가 무한히 유지되지 않습니다. 또한 Country Road 차량이 사라지면 GREEN_LIMIT에 도달하지 않았더라도 S4로 이동합니다.

6.5 S4: Main Highway Red / Country Road Yellow

S4는 Country Road가 Green에서 Red로 바뀌기 전 Yellow를 출력하는 상태입니다.

6.6 S5: Emergency Mode

S5는 Emergency Mode입니다. Main Highway는 Green, Country Road는 Red로 출력됩니다.

Emergency Mode가 끝난 뒤에는 night_mode 상태를 확인합니다. 야간 상태가 유지 중이면 S6로 돌아가고, 야간 상태가 아니면 S0으로 복귀합니다.

이 구조를 통해 야간 중 응급차량이 발생한 경우에도, 응급상황 종료 후 다시 Night OFF Mode로 돌아갈 수 있습니다.

6.7 S6: Night OFF Mode

S6는 Night OFF Mode입니다. Main Highway와 Country Road가 모두 OFF로 출력됩니다.

S6에서는 car_country 조건을 사용하지 않습니다. 따라서 야간 상태에서는 Country Road에 차량이 감지되어도 state 변화에 영향을 주지 않습니다.

Summary: State transitions prioritize emergency handling, then night mode, and finally normal traffic flow. In Night OFF Mode, car_country is ignored, while emergency input can still move the FSM to S5.

7. Priority of Input Conditions

본 설계에서 입력 조건의 우선순위는 다음과 같습니다.

1. emergency
2. night_mode
3. car_country
4. green_count

가장 중요한 입력은 emergency입니다. S0~S4, S6 어느 상태에 있더라도 emergency = 1이 입력되면 Emergency Mode인 S5로 이동합니다.

night_mode는 기본적으로 S0에서 S6로 진입하는 조건이며, Emergency Mode 종료 후 복귀 상태를 결정할 때도 사용됩니다.

car_country는 일반 신호등 동작에서 Country Road 차량 감지를 표현하는 입력입니다. 다만 S6에서는 car_country를 사용하지 않아, Night OFF Mode에서는 차량 감지가 state 변화에 영향을 주지 않도록 설계했습니다.

green_count는 S3에서 Country Road Green 유지 시간을 제한하기 위한 조건입니다.

Summary: The highest priority input is emergency, followed by night_mode, normal vehicle detection, and green time limitation.

8. FSM Style-1 Structure

수업에서 배운 FSM style-1 구조를 기준으로 코드를 작성했습니다.

FSM style-1은 일반적으로 다음 세 부분으로 나누어 설계합니다.

본 프로젝트에서도 다음과 같이 역할을 분리했습니다.

• State Register: always @(posedge clock)에서 state <= next_state
• Next State Logic: always @(*)에서 case(state)를 이용해 next state 결정
• Output Logic: always @(*)에서 현재 state에 따라 hwy, cntry 출력 결정

이 구조는 state 저장, 상태 전이, 출력 결정을 분리하기 때문에 FSM 동작을 해석하고 검증하기 쉽습니다.

Summary: The Verilog design follows the FSM style-1 structure by separating the state register, next state logic, and output logic.

9. Design Intention

이 FSM 설계의 핵심 의도는 다음과 같습니다.

• 기존 S0~S4 상태를 유지하여 기본 Traffic Signal Controller 흐름을 보존
• S5를 추가하여 emergency 입력에 대한 우선 제어 구현
• S6를 추가하여 Night OFF Mode 구현
• OFF = 2'b11을 정의하여 야간 소등 상태 표현
• green_count를 이용해 Country Road Green 유지 시간 제한
• default 조건을 통해 사용하지 않는 state 발생 시 S0으로 복귀

이를 통해 단순한 신호등 제어기에서 벗어나, 예외 상황과 시간 제한을 포함한 FSM 제어 구조를 구현했습니다.

Summary: The FSM extends the original traffic controller while preserving its basic flow and adding emergency priority, night mode, green time limitation, and safe default behavior.