05. Simulation Analysis

1. Simulation Overview

Vivado behavioral simulation을 통해 개선된 Traffic Signal Controller가 의도한 대로 동작하는지 확인했습니다.

Simulation에서는 testbench에서 입력한 시나리오에 따라 다음 기능들을 검증했습니다.

• Normal Cycle 동작
• Country Road Green Time Limit
• car_country 변화에 따른 S3 종료
• Emergency Mode 우선 제어
• Night OFF Mode
• Night Mode 중 Emergency 발생 및 복귀
• green_count 동작

Summary: This simulation verifies the improved traffic signal controller by checking normal cycles, green time limitation, emergency priority, Night OFF Mode, and the interaction between Night Mode and Emergency Mode.

2. Full Waveform Structure

출력된 전체 waveform은 다음과 같습니다.

전체 waveform은 testbench의 입력 시나리오에 따라 다음 구간으로 나누어 해석할 수 있습니다.

Summary: The full waveform is divided into several verification sections, each corresponding to a specific testbench scenario.

3. Cycle 1: Green Count Limit

Cycle 1은 Country Road에 차량이 계속 감지되는 상황에서도 Country Road Green 상태가 무한히 유지되지 않는지 확인하는 구간입니다.

Testbench에서는 car_on_countryroad = 1을 유지하여 FSM이 다음 흐름을 따르도록 했습니다.

S0 → S1 → S2 → S3 → S3 유지 → S4 → S0

S3는 Country Road Green 상태입니다. 이때 출력은 다음과 같습니다.

S3에 머무는 동안 green_count가 증가합니다. green_count < GREEN_LIMIT이면 S3를 유지하고, green_count >= GREEN_LIMIT이 되면 S4로 이동합니다.

PPT simulation 해석 기준으로는, car_on_countryroad = 1이 유지된 상태였지만 green_count가 3, 즉 GREEN_LIMIT에 도달한 상황에서 clock이 발생하자 S3에서 S4로 이동했습니다.

이를 통해 Country Road에 차량이 계속 감지되어도 Green 상태가 무한정 유지되지 않고, 시간 제한 기능이 정상적으로 동작함을 확인했습니다.

Summary: Cycle 1 confirms that Country Road Green does not last indefinitely. When green_count reaches GREEN_LIMIT, the FSM moves from S3 to S4 even if car_country remains high.

4. Cycle 2: Car Removed at S3

Cycle 2는 Country Road Green 상태인 S3에서 차량이 사라졌을 때, 제한 시간과 관계없이 S4로 이동하는지 확인하는 구간입니다.

Testbench에서는 처음에 car_on_countryroad = 1로 설정하여 FSM을 S3까지 이동시킨 뒤, S3 상태에서 car_on_countryroad = 0으로 변경했습니다.

예상 흐름은 다음과 같습니다.

S0 → S1 → S2 → S3 → S4 → S0

S3의 next state logic은 다음 조건을 사용합니다.

else if (car_country && (green_count < GREEN_LIMIT))
    next_state = S3;
else
    next_state = S4;

따라서 S3 상태에서 car_country = 0이 되면, green_count가 아직 GREEN_LIMIT에 도달하지 않았더라도 조건식이 false가 되어 S4로 이동합니다.

PPT simulation 해석 기준으로는, green_count가 아직 제한값에 도달하지 않았지만 car_on_countryroad가 0이 되었기 때문에 S3에서 S4로 이동했습니다.

이를 통해 Country Road 차량이 사라졌을 때 Green 상태를 정상적으로 종료하는 것을 확인했습니다.

Summary: Cycle 2 confirms that the FSM exits S3 when the Country Road vehicle is no longer detected, even before the green time limit is reached.

5. Cycle 3: Emergency Mode Verification

Cycle 3는 Emergency Mode가 모든 일반 상태보다 높은 우선순위를 갖는지 확인하는 구간입니다.

Testbench에서는 S0, S1, S2, S3, S4 각각의 상태에서 emergency = 1을 입력했습니다.

S5는 Emergency Mode이며 출력은 다음과 같습니다.

PPT simulation에서는 S0, S1, S2, S3, S4에서 각각 emergency 신호를 발생시켰을 때 모두 S5로 이동하는 것을 확인했습니다.

이를 통해 신호등이 어떤 일반 상태에 있더라도 emergency 입력이 들어오면 우선적으로 Emergency Mode가 실행되는 것을 검증했습니다.

Summary: The emergency simulation confirms that emergency has the highest priority and forces the FSM to move to S5 from any normal traffic state.

6. Night OFF Mode Verification

Night Mode 검증은 night_mode = 1이 입력되었을 때 FSM이 S6로 이동하고, 두 신호등이 모두 OFF로 출력되는지 확인하는 구간입니다.

예상 흐름은 다음과 같습니다.

S0 → S6 → S6 유지 → S0

S6는 Night OFF Mode이며 출력은 다음과 같습니다.

PPT simulation 해석 기준으로는, S0 상태에서 night_mode = 1이 입력되자 S6로 이동했고, 두 출력이 모두 2'b11로 표시되었습니다.

또한 S6 상태에서 car_on_countryroad 값이 변해도 state 변화가 발생하지 않았습니다.

이는 S6의 next state logic에서 car_country 조건을 사용하지 않았기 때문입니다.

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

따라서 Night OFF Mode에서는 Country Road 차량 감지가 state 변화에 영향을 주지 않습니다.

night_mode = 0이 되면 다음 clock에서 S6에서 S0으로 복귀합니다.

Summary: Night OFF Mode verifies that both traffic lights output 2'b11 and that car_country does not affect state transitions while the FSM is in S6.

7. Night Mode with Emergency

Night Mode 중 Emergency가 발생하는 복합 상황도 검증했습니다.

예상 흐름은 다음과 같습니다.

S0 → S6 → S5 → S6 → S0

동작 순서는 다음과 같습니다.

1. night_mode = 1이 되어 S0에서 S6로 이동
2. S6 상태에서 emergency = 1이 되어 S5로 이동
3. S5에서 Main Highway Green, Country Road Red 출력
4. emergency = 0이 되었지만 night_mode = 1이 유지되어 S6로 복귀
5. night_mode = 0이 되어 S0으로 복귀

S5의 출력은 다음과 같습니다.

PPT simulation에서는 Night OFF Mode인 S6에서 emergency가 발생하자 S5로 이동했고, emergency가 종료된 뒤에도 night_mode가 유지되었기 때문에 S0이 아니라 S6로 복귀하는 것을 확인했습니다.

이를 통해 야간 중 응급차량이 발생하는 상황도 정상적으로 처리되는 것을 확인했습니다.

Summary: This simulation verifies that emergency input overrides Night OFF Mode and that the FSM returns to S6 after the emergency ends if night_mode is still active.

8. green_count Analysis

추가 분석으로 green_count가 어떤 상태에서 증가하는지 확인했습니다.

green_count는 모든 상태에서 증가하지 않고, 오직 S3, 즉 Country Road Green 상태에서만 증가합니다.

Design source에서는 다음과 같이 작성했습니다.

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

따라서 S3가 아닌 S0, S1, S2, S4, S5, S6에서는 green_count가 0으로 초기화됩니다.

이 동작을 통해 green_count가 Country Road Green 유지 시간을 제한하기 위한 counter로만 사용되고 있음을 확인할 수 있습니다.

주의할 점은 S3의 state encoding과 output을 구분해야 한다는 것입니다.

즉, S3 자체는 3'b011로 encoding된 state이고, S3에서의 출력은 Main Highway Red, Country Road Green입니다.

Summary: green_count increases only in S3, confirming that it is used only to limit the duration of Country Road Green.

9. Simulation Result Summary

Simulation 결과를 통해 다음 내용을 확인했습니다.

10. Conclusion

Behavioral simulation을 통해 개선된 Traffic Signal Controller가 의도한 대로 동작함을 확인했습니다.

Emergency Mode는 일반 신호등 동작보다 높은 우선순위를 가졌고, Country Road Green Time Limit은 green_count를 통해 정상적으로 구현되었습니다.

Night OFF Mode에서는 두 신호등이 모두 OFF로 출력되었으며, Night Mode 중 Emergency가 발생해도 S5로 전환된 뒤 상황 종료 후 다시 S6로 복귀하는 것을 확인했습니다.

따라서 추가한 세 가지 기능이 FSM 구조 안에서 정상적으로 통합되었음을 확인할 수 있습니다.

Summary: The behavioral simulation confirms that all added features are correctly integrated into the FSM and operate as intended.