FPGA 20个例程篇：1.不同按键控制不同LED亮灭

 一、典型基础入门，小试牛刀 ：

1.不同按键控制不同LED亮灭

      大家不妨回忆下从上学到工作，有趣的是仿佛在学习任何一款嵌入式芯片的编程时，几乎不约而同地都是先从按键、发光二极管、蜂鸣器入门的，这些外设虽然看上去很基础但也具有很强的代表性，所以第一章里笔者通过两个基础例程，帮助大家自然而然地入门FPGA设计，闲话不多说我们直接步入正题。

         按键和发光二极管可以说是嵌入式设备中最为常见的外设了，本身应用场景有很多，例如发光二极管从电路上通过CPU控制高低电平的输出可以用来指示通信传输速度、设备运行状态等，按键从电路上分为独立式和扫描式可以用来控制少数普通按键、编码器以及行列式矩阵按键。

         如图1和图2所示，分别是独立式和扫描式按键电路设计，大家可以清楚地看到对CPU而言，每个独立式按键都需要一个IO口对其进行连接，而扫描式按键则不需要IO口在数量上和按键进行逐一匹配，只用在同一时刻通过对按键矩阵进行扫描，即可判断出当前时刻哪个按键被按下，硬件上节约了主CPU的IO口，软件上也简化了代码逻辑，在这里我们不对扫描式的代码设计展开详细的叙述，例程中只对项目中用得比较多的独立式按键进行分析讲解。

        图1 独立式的按键电路

 图2 扫描式的按键电路

        通过FPGA基础知识专栏的实践学习，其实大家已经掌握了按键消抖处理设计，如果忘记的话，那么我们在这里再回过头简单地复习一下，如图3所示是豌豆开发板Artix7上按键电路，非常普遍的硬件设计，按键一端接地，而另外一端接一个上拉电阻再连到Artix7芯片的引脚上，所以当按键断开时是高电平，闭合时是低电平，但是因为按键具有机械特性，在断开和闭合的时候都会有抖动有误触发的情况，这个时间通常是小于10ms的，如图4所示是按键闭合、断开以及稳定时的电平变化示意图，所以不管是MCU还是FPGA程序设计里都会对按键检测去做20ms的消抖处理。

      如表1为这个模块的信号列表，本模块的输入信号有：clk系统时钟信号、rst_n系统复位信号、外部4个按键key_in引脚输入信号；输出信号有：key _vld按键消抖有效信号、key_value按键键值信号，在整体工程的设计中，通过例化key_vld和key_value两个输出信号，即可得到外部按键哪个按键被按下了，其他模块再据此去做后续的处理。

 图3 豌豆开发板Artix7上按键电路

 图4 按键闭合和断开抖动电平变换示意图

表1 key_scan模块信号列表

       为了方便理解，我们可以把这个模块的整体流程用一个流程示意图来表示，如图5所示，大家再根据这个流程示意图去思考下，我们应该如何去合理划分这个模块中状态机的状态，以及不同状态之间应该怎么去跳转。

       首先把整个流程提取出来，可以分为四个状态，即IDLE空闲状态、CHECK_KEYIN检测按键闭合状态、KEEP_KEYIN按键持续闭合状态、CHECK_KEYOUT检测按键断开状态。然后设计debounce_cnt消抖的计数器，用来计时20ms的按键闭合断开的消抖时间，显然在状态CHECK_KEYIN和CHECK_KEYOUT的时候，消抖计数器再去计时20ms时间，所以把debounce_cnt的加一条件设置为：state_c == CHECK_KEYIN || state_c == CHECK_KEYOUT，把结束条件设置为add_debounce_cnt && debounce_cnt== TIM_20MS-1。

     接着再去考虑状态跳转，根据图5的按键消抖处理设计流程图，IDLE状态可以跳转到CHECK_KEYIN状态；CHECK_KEYIN状态在消抖20ms后通过判断key_in的输入值，则可以跳转到IDLE状态或者KEEP_KEYIN状态；KEEP_KEYIN状态在检测到key_in的输入值不为4'b1111时便会跳转到CHECK_KEYOUT状态；CHECK_KEYOUT状态在消抖20ms后通过判断key_in的输入值，则可以跳转到IDLE状态或者KEEP_KEYIN状态。

      最后我们需要去注意输出信号key_vld以及key_value的设计，大家想一想这两个关键输出信号应该什么时候被置位和赋值，通过图5的设计流程图可以看出来，我们应该在CHECK_KEYIN状态跳转到KEEP_KEYIN状态的时刻，把key_value用key_in的逐位取反来赋值，这时key_value记录下当前哪个按键被按下，当用户断开按键时即在CHECK_KEYIN跳转到IDLE状态的时刻，再去置高一个周期的key_vld把key_value的值送到其他处理模块，key_vld和key_value都用时序逻辑去产生，在搞清楚整个模块的逻辑以后，把代码写漂亮已经不困难了，如图6所示是其对应的代码设计供参考，当然也可以有不同的状态机划分方法，只有符合预期设计要求即可，答案完全不唯一。

 图5 按键消抖处理设计流程图

     如图7所示，在把key_scan模块产生的key_value和key_vld信号例化到顶层模块即可，通过key_value和key_vld再对LED进行点灯操作。

图6 按键消抖处理模块的代码设计

图7 按键控制LED亮灭顶层文件的例化