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|  V1.0  |  2020-07-01  |  gingko  |  初次建立  | 


===== 实验二：GPIO输入实验——识别按键输入 =====
==== 一、 实验目的与意义 ====

  - 了解按键的特征和应用。
  - 掌握FPGA引脚的配置方法。
  - 掌握QuartusII集成开发环境的使用。
  - 掌握Verilog语言模块化的编程方式。
==== 二、 实验设备及平台 ====

  - iCore4 双核心板[[https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c-s.w4004-22598974120.15.5923532fsFrHiE&id=551864196684|点击购买]]。
  - Blaster（或相同功能）仿真器[[https://item.taobao.com/item.htm?id=554869837940|点击购买]]。
  - Micro USB线缆。
  - QuartusII开发平台。
  - 装有WIN XP(及更高版本)系统的计算机。
==== 三、 实验原理 ====
  * FPGA的所有I/O控制块允许每个I/O引脚单独配置为输入口，不过这种配置是系统自动完成的。当I/O口被设置为输入口使用时，该I/O将直接使三态缓冲区的控制端接地，使得该I/O对外呈高阻态，这样该I/O引脚即可作为输入引脚使用。正确分配并锁定引脚后，一旦按键有变化，即可在检测到按键输入的情况下切换LED的状态。驱动示意图如下：
{{ :icore4:icore4_fpga_2_1.png?direct |图2-1}}
==== 四、 代码讲解 ====

  * 本实验例程分为三个模块，分别是顶层模块、复位模块和按键控制模块。
    - 顶层模块：主要实现各子模块之间的信息交互及与外部信息交互。
    - 复位模块：产生全局复位信号。
    - 按键控制模块：实现按键切换led的功能。
  * 如图2-2所示为本例程三个模块在QuartusII界面中所处的位置。双击即可打开对应的模块。
{{ :icore4:icore4_fpga_2_2.png?direct |图2-2}}
1、顶层模块代码讲解：
<code verilog>
//--------顶层模块主要实现各子模块之间的信息交互及与外部信息交互----//
module key(
	input  clk_25m,
	input  key,
	output fpga_ledr,
	output fpga_ledg,
	output fpga_ledb
);
//--------wire型变量定义，实现模块与模块之间的信号连线------------//
	wire rst_n;       

//---------例化复位模块产生全局复位信号，其中u1为例化名-----------//
	rst_n u1(
		.clk_25m(clk_25m),
		.rst_n(rst_n)
	);
//------------例化按键控制信号，实现按键切换led的功能------------//
	key_ctrl u2(
		.clk_25m(clk_25m),
		.rst_n(rst_n),
		.key(key),
		.fpga_ledr(fpga_ledr),
		.fpga_ledg(fpga_ledg),
		.fpga_ledb(fpga_ledb)
	);

endmodule
</code>

2、复位模块讲解：
<code Verilog>
module rst_n(
	input clk_25m,
	output rst_n
);

//--------------生成复位信号的计数器，采用时序逻辑语言描述----------//
reg [3:0]cnt_rst;				
reg rst_r;

always@(posedge clk_25m)
	if(cnt_rst == 4'd15)
	    begin
		cnt_rst <= 4'd15;
		rst_r <= 1'd1;
	    end
	else cnt_rst <= cnt_rst + 1'd1;

assign rst_n = rst_r;
endmodule
</code>

3、按键控制模块讲解（篇幅原因，不再贴出全部代码讲解，完整代码见例程）：
<code verilog>
//--------------按键消抖动，提取按键状态----------//
always @(posedge clk_25m or negedge rst_n)	
	if (!rst_n)
	    begin
		key_r <= 1'd0;
		low_cnt <= 18'd0;
		hig_cnt <= 18'd0;
	    end
//----------检测按键状态为高时，延时10ms，把按键状态提取出来 ------//
	else if(key)		
		begin
		    low_cnt <= 18'd0;
		    if (hig_cnt == ms_10)
			begin
			    key_r <= key;
			    hig_cnt <= hig_cnt;
			end
		    else hig_cnt <= hig_cnt + 1'd1;
		end

reg [1:0]led_cnt;    //led_cnt为led状态标志，不同值表示不同led状态
reg ledr,ledg,ledb;
//----------------按键下降沿控制led状态切换--------------------//
always@(negedge key_state or negedge rst_n)	
	if (!rst_n)
	    begin
		led_cnt <= 2'd0;
	    end
	else if (led_cnt == 2'd2)
		begin
		    led_cnt <= 2'd0;
		end
	else led_cnt <= led_cnt + 1'd1;
//------------------led状态切换的状态机-----------------------//
always@(posedge clk_25m or negedge rst_n)		

//----- led_cnt=0，红灯亮，led_cnt=1，绿灯亮led_cnt=2，蓝灯亮----//
	else case(led_cnt)             
	        2'd0:					
		    begin
		        ledr <= 1'd0;
		        ledg <= 1'd1;
		        ledb <= 1'd1;
		    end
		2'd1:							
		    begin
		        ledr <= 1'd1;
		        ledg <= 1'd0;
		        ledb <= 1'd1;
		    end
		2'd2:					
		    begin
		        ledr <= 1'd1;
		        ledg <= 1'd1;
		        ledb <= 1'd0;
		    end
</code>
==== 五、 实验验证 ====
{{ :icore4:icore4_fpga_2_3.png?direct |图2-3}}
  - 双击打开例程里的QuartusII工程文件，如图2-3所示。
  - 按照前面实验指导书所讲，对该工程文件进行相关配置，编译及引脚锁定后（例程里已经配置好），将配置文件下载至icore4双核心工控板观察实验现象。
  - 实验现象为：与FPGA芯片相连的红、绿、蓝三个led灯，先是短暂的全灭，随后红灯亮起，而后依次按下icore4双核心工控板上的FPGA按键，可以观察到红、绿、蓝三个led灯依次亮灭，即实现了按键切换led灯的功能。