FPGA实战——按键控制LED灯

实验任务

无按键按下时，LED 灯全灭；
按键 key0 按下时，LED 灯显示自左往右的流水；
按键 key1 按下时，LED 灯显示自右往左的流水；
按键 key2 按下时，四个 LED 灯同时闪烁；
按键 key3 按下时，LED 灯全亮。

硬件电路

程序设计

1.RTL文件编写

首先我们要了解一下编程的思路。通过按键来实现灯全亮全灭其实很容易，但是要实现流水灯的效果，这就要结合我们上一节的流水灯的知识，就需要一个计数器。我们的思路是这样的：
（由于初学，我们先不进行消抖；然后按键也要一直按着才一直执行，松开就不再执行对应程序段）

流水灯是需要计数器的，所以我们先定义计数器。这个计数器以0.2s为周期。
如果key0被按下，是需要流水灯的，我们就先设置一个led_ctrl变量，来为led目前的状态编码，这个状态每计数器周期就变化一次（也就是一直在流水，就是我们在硬件电路是否调用的问题，调用它就显示出流水）
我们检测按键是否被按下，当key0被按下的时候，我们就对led_ctrl进行判断，对4个状态进行赋值（led_ctrl有4个状态，分别对应4个流水灯亮的状态），一直按着key0就可以实现流水
同理，剩余3个按键的就很简单了。
总结来就是，我们需要一个计数器（一个always块），一个控制led状态的程序（一个always块），一个检测按键，控制led（一个always块）

程序代码如下：

module key_led(input            sys_clk,input            sys_rst_n,input        [3:0] key,output reg [3:0] led);reg [23:0] cnt;      //计数器
reg [1:0]  led_ctrl; //led状态变量//0.2秒计数器
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) beginif(!sys_rst_n)cnt <= 24'd0;else if(cnt < 24'd1000_0000)cnt <= cnt + 1'b1;elsecnt <= 24'd0; //这是已经数到最大值了，就赋值0
end//led状态赋值  ，这是控制led的状态的，只有流水的时候有用
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) beginif(!sys_rst_n)led_ctrl <= 2'b00;else if(cnt == 24'd1000_0000)   //计数器周期0.2s，所以led每0.2s状态加一led_ctrl <= led_ctrl + 1'b1;elseled_ctrl <= led_ctrl;
end//按键控制led状态
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) beginif(!sys_rst_n)led <= 4'b0000;else if(key[0] == 0)  //如果key0按下，实现从左向右的流水灯case(led_ctrl)   2'b00  :  led <= 4'b0001;2'b01  :  led <= 4'b0010;2'b10  :  led <= 4'b0100;2'b11  :  led <= 4'b1000;default:  led <= 4'b0000;endcaseelse if(key[1] == 0)  //如果key1按下，实现从右向左的流水灯case(led_ctrl)   2'b11  :  led <= 4'b0001;2'b10  :  led <= 4'b0010;2'b01  :  led <= 4'b0100;2'b00  :  led <= 4'b1000;default:  led <= 4'b0000;endcase    else if(key[2] == 0)  //如果key2按下，所有灯同时闪烁case(led_ctrl)   2'b00  :  led <= 4'b1111;2'b01  :  led <= 4'b0000;2'b10  :  led <= 4'b1111;2'b11  :  led <= 4'b0000;default:  led <= 4'b0000;endcase else if(key[3] == 0)  //如果key3按下，所有灯都亮。led <= 4'b1111;else                led <= 4'b0000;
end
endmodule

2.约束文件ucf

NET sys_clk            TNM_NET = sys_clk_pin;
TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 20ns HIGH 50%;NET sys_clk     LOC = T8 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET sys_rst_n   LOC = L3 | IOSTANDARD = LVCMOS33;NET led<0>     LOC = P4 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET led<1>    LOC = N5 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET led<2>    LOC = P5 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET led<3>    LOC = M6 | IOSTANDARD = LVCMOS33;NET key<0>     LOC = C3 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET key<1>    LOC = D3 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET key<2>    LOC = E4 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET key<3>    LOC = E3 | IOSTANDARD = LVCMOS33;

两次实验都出的一个错误。报错如下
key_led.ucf(1): Syntax error. Ensure that the previous constraint specification was terminated with ‘;’.

实际上，不用看后面的；提示，问题出在，没有加等号=
TNM_NET = sys_clk_pin; 被写成了
TNM_NET sys_clk_pin; 就报错了

而且有意思的是，这个错误两次都犯过，都是刚开始没意识到的时候，第一次编译总是没有报错，第二次编译才没通过，很奇怪，如果有大佬看见，希望告诉一下原因。

3.下载程序

编译完成之后，就可以生成bit流文件然后下载到开发板了。

RTL图

综合之后就可以看，但是实验来看，需要编译成功，才能看到我们期望看到的那个图。如下图设置好端口，点击右下角的Create Schematic即可。

生成RTL图如下

仿真tb文件编写

因为按键检测，硬件上需要按键去按下松开，是我们人的操作，那tb文件去仿真的时候如何实现呢。我们的思路就是每延时几秒，通过程序让key[i] = 0，通过软件赋值来实现。
//注意，我们要写的操作是在initial中就完成，而不是在always这里，always这是生成时钟。
//新建文件后，从头开始修改、编写代码！！！修改模块名，initial语句块的赋值等。。。。

`timescale 1ns / 1nsmodule tb_key_led();// Inputsreg sys_clk;reg sys_rst_n;reg [3:0] key;// Outputswire [3:0] led;// Instantiate the Unit Under Test (UUT)key_led u_key_led (.sys_clk(sys_clk), .sys_rst_n(sys_rst_n), .key(key), .led(led));initial begin// Initialize Inputssys_clk    <= 1'b0;sys_rst_n  <= 1'b0;key        <= 4'b1111;// Wait 100 ns for global reset to finish#100;sys_rst_n  <= 1'b1;// Add stimulus here// 1ns * 800_000_000 = 0.8s #2000_0000 key[0] <= 0;    #2000_0000 key[0] <= 1;key[1] <= 0; #2000_0000 key[1] <= 1;key[2] <= 0; #2000_0000 key[2] <= 1;key[3] <= 0; #2000_0000 key[3] <= 1;      end//注意，我们要写的操作是在initial中就完成，而不是在always这里，always这是生成时钟always #10 sys_clk = ~sys_clk;endmodule

出现了一个错误
(vopt-2133) Instantiating ‘u_key_led’ has exceeded the recursion depth limit of 200.

就是这里重名了，导致嵌套死循环。修改如下
最终1s时间内的仿真如图：

以上就是按键控制LED闪烁的工程，包括例化、按键消抖等还未设计，将在之后的工程练习中学习。

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