verilog学习笔记- 10)按键控制 LED 灯实验

简介：

实验任务：

硬件设计：

程序设计：

下载验证：

总结与反思：

简介：

按键开关是一种电子开关，属于电子元器件类。我们的开发板上有两种按键开关：第一种是本实验所使用的轻触式按键开关，使用时以向开关的操作方向施加压力使内部电路闭合接通，当撤销压力时开关断开，其内部结构是靠金属弹片受力后发生形变来实现通断的

第二种是自锁按键，自锁按键第一次按下后保持接通，即自锁，第二次按下后，开关断开，同时开关按钮弹出来，开发板上的电源键就是这种开关

实验任务：

使用新起点开发板上的四个按键控制四个 LED 灯。不同按键按下时，四个 LED 灯显示不同效果。

硬件设计：

如上图所示，开发板上的 5 个按键未按下时，输出高电平，按下后，输出低电平。

本实验中，系统时钟、复位按键、按键和 LED 灯的管脚如下表所示。

对应的 TCL 约束文件如下：

set_location_assignment PIN_M2 -to sys_clk
set_location_assignment PIN_M1 -to sys_rst_n
set_location_assignment PIN_E16 -to key[0]
set_location_assignment PIN_E15 -to key[1]
set_location_assignment PIN_M15 -to key[2]
set_location_assignment PIN_M16 -to key[3]
set_location_assignment PIN_D11 -to led[0]
set_location_assignment PIN_C11 -to led[1]
set_location_assignment PIN_E10 -to led[2]
set_location_assignment PIN_F9 -to led[3]

程序设计：

我们程序设计最终实现的效果为：无按键按下时，LED 灯全灭；按键 1 按下时，LED 灯显示自右向左的流水效果；按键 2 按下时，LED 灯显示自左向右的流水效果；按键 3 按下时，四个 LED 灯同时闪烁；按键 4 按下时，LED 灯全亮。

LED 在流水效果和闪烁效果在时间间隔均为 0.2 秒，因此需要在程序中定义一个 0.2s 的计数器，即每隔 0.2s，状态计数器加一。根据当前按键的状态选择不同的显示模式，不同的显示模式下四个 led 灯的亮灭随状态计数器的值改变，从而呈现出不同的显示效果。

按键控制 led 模块的代码如下所示：

1 module key_led(
2 input sys_clk , //50Mhz 系统时钟
3 input sys_rst_n, //系统复位，低有效
4 input [3:0] key, //按键输入信号
5 output reg [3:0] led //LED 输出信号
6 );
7 
8 //reg define 
9 reg [23:0] cnt;
10 reg [1:0] led_control;
11 
12 //用于计数 0.2s 的计数器
13 always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
14 if(!sys_rst_n)
15 cnt<=24'd9_999_999;
16 else if(cnt<24'd9_999_999)
17 cnt<=cnt+1;
18 else
19 cnt<=0;
20 end
21 
22 //用于 led 灯状态的选择
23 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
24 if (!sys_rst_n)
25 led_control <= 2'b00;
26 else if(cnt == 24'd9_999_999)
27 led_control <= led_control + 1'b1;
28 else
29 led_control <= led_control;
30 end
31 
32 //识别按键，切换显示模式
33 always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
34 if(!sys_rst_n) begin
35 led<=4'b 0000;
36 end
37 else if(key[0]== 0) //按键 1 按下时，从右向左的流水灯效果
38 case (led_control)
39 2'b00 : led<=4'b1000;
40 2'b01 : led<=4'b0100;
41 2'b10 : led<=4'b0010;
42 2'b11 : led<=4'b0001;
43 default : led<=4'b0000;
44 endcase
45 else if (key[1]==0) //按键 2 按下时，从左向右的流水灯效果
46 case (led_control)
47 2'b00 : led<=4'b0001;
48 2'b01 : led<=4'b0010;
49 2'b10 : led<=4'b0100;
50 2'b11 : led<=4'b1000;
51 default : led<=4'b0000;
52 endcase
53 else if (key[2]==0) //按键 3 按下时，LED 闪烁
54 case (led_control)
55 2'b00 : led<=4'b1111;
56 2'b01 : led<=4'b0000;
57 2'b10 : led<=4'b1111;
58 2'b11 : led<=4'b0000;
59 default : led<=4'b0000;
60 endcase
61 else if (key[3]==0) //按键 4 按下时，LED 全亮
62 led=4'b1111;
63 else
64 led<=4'b0000; //无按键按下时，LED 熄灭 
65 end
66 
67 endmodule

该代码分为三个模块：

第 12 至 20 行对系统时钟计数，当计数时间达 0.2s 时，计数器清零，是一个产生0.2s模块

第 22 至 30 行对LED灯的状态四个状态（00,01,10,11）内依次变化

第 32 至 64 行对每种情况下LED的闪烁模式进行了四种不同的定义，并且按下按键切换模式

Testbench 模块代码如下：

1 `timescale 1 ns/ 1 ns
2 module tb_key_led();
3 
4 parameter T = 20;
5 
6 reg [3:0] key ;
7 reg sys_clk ;
8 reg sys_rst_n;
9 
10 wire [3:0] led;
11 
12 initial begin 
13 key <=4'b1111;//按键初始状态为全断开
14 sys_clk <=1'b0; //初始时钟为低电平
15 sys_rst_n <=1'b0; //复位信号初始为低电平
16 #T sys_rst_n <=1'b1; //一个时钟周期后复位信号拉高
17 
18 #600_000_020 key[0] <=0; //0.6s 时按下按键 1
19 #800_000_000 key[0] <=1; 
20 key[1] <=0; //0.8s 后松开按键 1，按下按键 2
21 #800_000_000 key[1] <=1; 
22 key[2] <=0; //0.8s 后松开按键 2，按下按键 3
23 #800_000_000 key[2] <=1; 
24 key[3] <=0; //0.8s 后松开按键 3，按下按键 4 
25 #800_000_000 key[3] <=1; //0.8s 后松开按键 4
26 
27 end
28 
29 always # (T/2) sys_clk <= ~sys_clk;
30 key_led u_key_led(
31 .sys_clk(sys_clk), 
32 .sys_rst_n(sys_rst_n), 
33 .key(key), 
34 .led(led) 
35 );
36 
37 endmodule