03. Verilog Code Explanation

1. Design Source Overview

traffic_signal_cntr_improved.v는 개선된 Traffic Signal Controller의 Verilog design source입니다.

기존 Traffic Signal Controller 구조에 emergency, night_mode, green_count 기능을 추가하여 Emergency Mode, Night OFF Mode, Country Road Green Time Limit을 구현했습니다.

전체 코드는 FSM style-1 구조를 기반으로 작성되었습니다.

1. State Register
2. Next State Logic
3. Output Logic

실제 Verilog source code는 아래 파일에 정리되어 있습니다.

• src/traffic_signal_cntr_improved.v

Summary:
This document explains the Verilog design source of the improved traffic signal controller, focusing on module I/O, parameters, state register, next state logic, counter behavior, and Moore output logic.

2. Module Declaration and I/O Structure

module traffic_signal_cntr_improved (
    hwy,
    cntry,
    car_country,
    emergency,
    night_mode,
    clock,
    reset
);

traffic_signal_cntr_improved는 개선된 Traffic Signal Controller의 top module입니다.

입력 신호는 Country Road 차량 감지, 응급차량 감지, 야간 상태, clock, reset으로 구성됩니다. 출력 신호는 Main Highway와 Country Road의 신호등 상태입니다.

output [1:0] hwy, cntry;
reg    [1:0] hwy, cntry;

hwy와 cntry는 always 블록 내부에서 값이 할당되므로 reg로 선언했습니다.
Verilog에서 reg는 반드시 실제 register만 의미하는 것이 아니라, procedural block 내부에서 값을 저장하거나 할당받는 신호를 의미합니다.

Summary:
The module receives traffic-related input signals and outputs 2-bit traffic light states for Main Highway and Country Road. Since outputs are assigned inside an always block, they are declared as reg.

3. Light Color Parameter

parameter RED    = 2'd0;
parameter YELLOW = 2'd1;
parameter GREEN  = 2'd2;
parameter OFF    = 2'd3;

신호등 색상은 2-bit parameter로 정의했습니다.

기존 Traffic Signal Controller에서는 Red, Yellow, Green만 사용했습니다.
2-bit 출력은 총 4개의 값을 표현할 수 있으므로, 사용하지 않던 2'b11을 OFF 상태로 새롭게 정의했습니다.

OFF는 Night OFF Mode인 S6에서 두 신호등을 모두 소등하기 위해 사용됩니다.

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

4. State Parameter

parameter S0 = 3'd0;
parameter S1 = 3'd1;
parameter S2 = 3'd2;
parameter S3 = 3'd3;
parameter S4 = 3'd4;
parameter S5 = 3'd5;
parameter S6 = 3'd6;

FSM state는 S0부터 S6까지 총 7개로 정의했습니다.

S0~S4는 기존 Traffic Signal Controller의 일반 동작 상태입니다.
S5는 Emergency Mode를 위해 추가한 상태이고, S6는 Night OFF Mode를 위해 추가한 상태입니다.

총 7개의 state가 필요하므로 3-bit state register를 사용했습니다.
3-bit는 총 8개의 값을 표현할 수 있으므로 3'b111은 사용하지 않는 상태입니다. 이 예외 상태에 대해서는 default 조건에서 S0으로 복귀하도록 설계했습니다.

Summary:
Seven FSM states are defined using 3-bit state encoding. S5 and S6 are newly added for Emergency Mode and Night OFF Mode.

5. Internal State Variables

reg [2:0] state;
reg [2:0] next_state;

state는 현재 FSM 상태를 저장하는 변수입니다.
next_state는 다음 clock edge에서 이동할 상태를 저장하는 변수입니다.

FSM style-1 구조에서는 현재 상태 저장과 다음 상태 계산을 분리합니다.

• state: 현재 상태 저장
• next_state: 조합논리에서 계산된 다음 상태
• clock 상승 edge에서 state <= next_state 수행

이렇게 분리하면 state transition을 명확하게 해석할 수 있고, simulation waveform에서도 현재 상태와 다음 상태의 관계를 확인하기 쉽습니다.

Summary:
state stores the current FSM state, while next_state stores the next state determined by combinational logic.

6. Green Count and GREEN_LIMIT

parameter GREEN_LIMIT = 3'd3;
reg [2:0] green_count;

green_count는 Country Road Green 상태인 S3에 머무른 시간을 세기 위한 counter입니다.

기존 구조에서는 Country Road에 차량이 계속 감지되면 S3가 계속 유지될 수 있습니다.
이를 방지하기 위해 green_count와 GREEN_LIMIT을 추가했습니다.

동작 원리는 다음과 같습니다.

1. S3 상태에서만 green_count 증가
2. green_count < GREEN_LIMIT이면 S3 유지
3. green_count >= GREEN_LIMIT이면 S4로 이동
4. S3가 아닌 상태에서는 green_count = 0

GREEN_LIMIT은 simulation에서 동작을 쉽게 확인하기 위해 3으로 설정했습니다.

Summary:
green_count limits the duration of Country Road Green state. It increases only in S3 and forces transition to S4 when it reaches GREEN_LIMIT.

7. State Register and Green Counter

always @(posedge clock) begin
    if (reset) begin
        state <= S0;
        green_count <= 3'd0;
    end else begin
        state <= next_state;

        if (state == S3) begin
            if (green_count < GREEN_LIMIT)
                green_count <= green_count + 3'd1;
            else
                green_count <= green_count;
        end else begin
            green_count <= 3'd0;
        end
    end
end

이 블록은 clock의 상승 edge에서만 실행됩니다.

7.1 Reset 동작

if (reset) begin
    state <= S0;
    green_count <= 3'd0;
end

reset = 1이면 FSM은 초기 상태인 S0으로 돌아갑니다.
동시에 green_count도 0으로 초기화됩니다.

초기 상태를 명확히 지정해야 simulation 시작 시 예측 가능한 상태에서 동작을 확인할 수 있습니다.

7.2 State Update

state <= next_state;

reset = 0이면 현재 state가 next_state로 업데이트됩니다.
이 업데이트는 clock 상승 edge에서만 발생하므로, FSM은 clock에 동기화된 sequential logic으로 동작합니다.

7.3 Green Counter 동작

if (state == S3) begin
    if (green_count < GREEN_LIMIT)
        green_count <= green_count + 3'd1;
    else
        green_count <= green_count;
end else begin
    green_count <= 3'd0;
end

green_count는 현재 state가 S3일 때만 증가합니다.
S3가 아닌 다른 상태에서는 0으로 초기화됩니다.

이 구조를 통해 green_count는 Country Road Green 유지 시간만 측정하는 counter로 동작합니다.

7.4 Non-blocking Assignment 해석

이 블록에서는 <= non-blocking assignment를 사용했습니다.

Verilog의 non-blocking assignment는 같은 clock edge에서 오른쪽 값을 먼저 평가하고, 이후 왼쪽 변수에 업데이트를 예약합니다.
따라서 다음 코드에서:

state <= next_state;

if (state == S3) begin
    ...
end

if (state == S3) 조건은 업데이트된 next_state가 아니라, clock edge 이전의 기존 state 값을 기준으로 판단됩니다.

이 때문에 waveform에서 green_count는 S3에 진입한 바로 그 순간이 아니라, S3에 머무르는 다음 clock부터 증가하는 것처럼 보일 수 있습니다.

Summary:
The state register updates the FSM state on the rising edge of clock, while green_count increases only when the previous current state is S3. This behavior is caused by non-blocking assignment in sequential logic.

8. Next State Logic

always @(*) begin
    next_state = state;

    case (state)
        ...
    endcase
end

Next State Logic은 조합논리 블록입니다.

always @(*)는 블록 내부에서 사용되는 입력이나 state 값이 바뀔 때마다 next state를 다시 계산한다는 의미입니다.

next_state = state;

이 구문은 기본값을 현재 state로 유지한다는 의미입니다.
명시되지 않은 조건에서 latch가 생기는 것을 방지하고, 조건에 해당하지 않을 경우 현재 상태를 유지하도록 만드는 역할을 합니다.

Summary:
The next state logic is written as combinational logic using always @(*). The default assignment next_state = state prevents unintended latch behavior.

9. State-by-State Next State Explanation

9.1 S0: Main Highway Green / Country Road Red

S0: begin
    if (emergency)
        next_state = S5;
    else if (night_mode)
        next_state = S6;
    else if (car_country)
        next_state = S1;
    else
        next_state = S0;
end

S0는 기본 상태입니다.

우선순위는 다음과 같습니다.

1. emergency = 1이면 S5
2. night_mode = 1이면 S6
3. car_country = 1이면 S1
4. 그 외에는 S0 유지

emergency를 가장 먼저 확인하기 때문에, 응급차량 감지는 일반 차량 감지나 야간 모드보다 높은 우선순위를 가집니다.

9.2 S1: Main Highway Yellow / Country Road Red

S1: begin
    if (emergency)
        next_state = S5;
    else
        next_state = S2;
end

S1은 Main Highway가 Yellow인 상태입니다.

Emergency가 발생하면 S5로 이동하고, 그렇지 않으면 일반 흐름에 따라 S2로 이동합니다.

9.3 S2: All Red

S2: begin
    if (emergency)
        next_state = S5;
    else
        next_state = S3;
end

S2는 Main Highway와 Country Road가 모두 Red인 상태입니다.

Emergency가 발생하면 S5로 이동하고, 그렇지 않으면 Country Road Green 상태인 S3로 이동합니다.

9.4 S3: Country Road Green

S3: begin
    if (emergency)
        next_state = S5;
    else if (car_country && (green_count < GREEN_LIMIT))
        next_state = S3;
    else
        next_state = S4;
end

S3는 Country Road가 Green인 상태입니다.

동작 조건은 다음과 같습니다.

이 구문을 통해 Country Road에 차량이 계속 감지되더라도 green_count가 제한값에 도달하면 S4로 이동합니다.

또한 차량이 사라져 car_country = 0이 되면 제한 시간과 관계없이 S4로 이동합니다.

9.5 S4: Country Road Yellow

S4: begin
    if (emergency)
        next_state = S5;
    else
        next_state = S0;
end

S4는 Country Road가 Yellow인 상태입니다.

Emergency가 발생하면 S5로 이동하고, 그렇지 않으면 기본 상태인 S0으로 복귀합니다.

9.6 S5: Emergency Mode

S5: begin
    if (emergency)
        next_state = S5;
    else if (night_mode)
        next_state = S6;
    else
        next_state = S0;
end

S5는 Emergency Mode입니다.

Emergency가 계속 유지되면 S5에 머무릅니다.
Emergency가 종료되었을 때 night_mode = 1이면 S6로 이동하고, night_mode = 0이면 S0으로 복귀합니다.

이 구조는 야간 중 응급차량이 발생했을 때도 자연스럽게 동작합니다.
Night Mode 중 S6 → S5로 이동한 뒤, emergency가 종료되면 다시 S6로 복귀할 수 있습니다.

9.7 S6: Night OFF Mode

S6: begin
    if (emergency)
        next_state = S5;
    else if (night_mode)
        next_state = S6;
    else
        next_state = S0;
end

S6는 Night OFF Mode입니다.

Emergency가 발생하면 S5로 이동합니다.
Emergency가 없고 night mode가 유지되면 S6에 머무릅니다.
night mode가 종료되면 S0으로 복귀합니다.

중요한 점은 S6에서 car_country 조건을 사용하지 않았다는 것입니다.
따라서 야간 상태에서는 Country Road 차량 감지가 FSM state 변화에 영향을 주지 않습니다.

9.8 Default Case

default: begin
    next_state = S0;
end

3-bit state는 총 8개의 상태를 표현할 수 있지만, 실제 설계에서는 S0~S6까지 7개만 사용합니다.

따라서 사용하지 않는 상태인 3'b111 등이 발생할 경우를 대비하여 default 조건에서 S0으로 복귀하도록 설계했습니다.

이는 예외 상태가 발생했을 때 FSM을 안정적인 기본 상태로 되돌리기 위한 설계입니다.

Summary:
The next state logic defines normal operation, emergency priority, green time limitation, Night OFF Mode, and safe recovery from unused states.

10. Output Logic

always @(*) begin
    case (state)
        ...
    endcase
end

Output Logic은 Moore FSM 방식으로 작성했습니다.

Moore FSM에서는 출력이 입력값에 직접 의해 결정되지 않고, 현재 state에 의해 결정됩니다.

따라서 car_country, emergency, night_mode는 Output Logic에서 직접 사용되지 않습니다.
이 입력들은 Next State Logic에서 다음 state를 결정하는 데 사용되고, 최종 출력은 현재 state에 의해 결정됩니다.

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

S6는 Night OFF Mode이므로 두 신호등이 모두 OFF로 출력됩니다.

Summary:
The output logic follows the Moore FSM principle, where outputs depend only on the current state.

11. Design Summary

이 Verilog design source는 다음 구조를 통해 개선된 Traffic Signal Controller를 구현합니다.

• parameter를 이용한 light color 및 state encoding
• state, next_state를 이용한 FSM 상태 저장 및 전이
• green_count를 이용한 Country Road Green 유지 시간 제한
• emergency 입력을 가장 높은 우선순위로 처리
• night_mode 입력을 이용한 Night OFF Mode 구현
• Moore FSM 방식의 output logic
• default 조건을 통한 예외 state 처리

Summary:
The Verilog source implements an improved traffic signal controller by combining FSM-based state control, emergency priority, counter-based green time limitation, night mode behavior, and Moore output logic.