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|  V1.0  |  2020-11-25 |  zgf  |  初次建立  | 


===== 实验十一：GPIO输入实验——识别按键输入 =====

==== 一、 实验目的与意义 ====

  - 了解按键特征和应用。
  - 学习按键动作的识别和判断。
  - 学习按键消抖的处理方法。
==== 二、 实验设备及平台 ====

  - iCore3L 双核心板。
  - XiST USB Cable（或相同功能）仿真器。
  - Micro USB线缆。
  - 装有HqFpga开发软件的电脑一台。
==== 三、 实验原理 ====

  * SL2S-25E的I/O单元包含1个双向I/O换从器和三个寄存器；可以使用I/O单元用于输入、输出或双向数据路径。
  * iCore3L上有一个按键和FPGA相连，原理图如图11-1中所示。从原理图中可以看到，按键未按下时，FPGA引脚接3.3V，引脚电平为高。当按键按下后，FPGA引脚与地导通，此时FPGA引脚电平为低。那么，判断按键是否按下的方法就是将与按键相连的引脚作为输入引脚，并检测此引脚的电平，当电平为低时，表示按键按下。
{{ :icore3l:icore3l_fpga_11_1.png?direct |图 11-1 按键及FPGA_LED原理图}}

  * 当检测到按键按下，设计代码功能为控制与LED相连的引脚电平为低，此时点亮LED。从而实现按键控制LED状态的功能。即通过检测FPGA·KEY引脚的电平变化，判断按键的状态，继而控制LED的亮灭。
  * 在按键按下和松开的过程，电平并不是理想的立即从高到低或者从低到高变化的。在跳变的过程中，是有抖动的，持续大概10ms左右。抖动会影响FPGA对按键状态的正确判断，因此在设计中要对按键动作做消抖处理。处理方式分物理消抖和软件消抖。物理消抖则是通过并联电容，消除抖动噪声。软件处理则是通过延时处理，跳过抖动阶段，再读取按键状态，从而实现按键消抖操作。
{{ :icore3l:icore3l_fpga_11_2.png?direct&600 |图11-2 按键动作过程电平变化示意图}}

  * 如图11-2中所示，在实际的按键动作中，按下和松开的瞬间，电平跳变的过程中是有抖动存在的；在硬件设计中可以通过并联电容削减抖动造成的影响。在软件设计中可以采用延时消抖的方式进一步消除抖动的影响。
  * 延时消抖的实现方式也较为简单，当FPGA检测到与按键相连的引脚出现下降沿之后开始计时，约40ms后再次检测与按键相连引脚的电平；如果电平与之前不同，则判别为有按键按下。这样通过延时的方式跳过抖动阶段，检测稳定后的电平状态，从而降低抖动对电平判断的影响，识别真正的按键动作。
  * 同理，按键松开的动作也可以通过这种方式进行检测。在按键按下的状态，检测电平的上升沿，待出现上升沿后，开始计时；延时40ms后检测电平状态，从而判断按键是否松开。
==== 四、 代码实现 ====
  * 本实验代码较为简单，首先是对输入信号进行延迟1拍处理，是高低电平数字量处于稳定状态，便于进行沿跳变检测。检测到下降沿后开始计数，然后对时钟计数持续40ms后，采集按键输入引脚的电平，如果为低电平，表示按键按下，则控制三色LED颜色切换。这里请注意对延时计数器的控制，使其在按键按下期间持续计数。按键未按下时进行清零。代码如下：
<code verilog>
//---------------------按键动作检测---------------------------//
	reg key_r;
	reg	key_rr;
	
	always@(posedge fpga_clkor negedge rst_n)
		if(!rst_n)
			begin
				key_r<=1'b0;
				key_rr<=1'b0;
			end
		else
			begin
				key_r<=key;			//输入信号延迟1拍
				key_rr<=key_r;		//输入信号延迟2拍
			end
			
	reg 	[19:0]cnt;
	reg		flag;
	always@(posedge fpga_clk or negedge rst_n)
		if(!rst_n)
			flag<=1'd1;
		else if((key_r==1'd0)&&(key_rr==1'd1))			//下降沿检测
				flag<=1'd0;
			else if((key_r==1'd1)&&(key_rr==1'd0))		//上升沿检测
				flag<=1'd1;
			
	always@(posedge fpga_clk or negedge rst_n)
		if(!rst_n)
			cnt<=20'd0;
		else if((cnt<20'd1000_000)&&(flag==1'b0))		//约40ms
			cnt<=cnt+1'd1;
		else if(flag==1'b1)
			cnt<=20'd0;
			else
				cnt<=20'd1000001;
			
	reg	[2:0]	led_r;
	always@(posedge fpga_clk or negedge rst_n)			//LED 状态切换
		if(!rst_n)
			led_r<=3'b110;
		else if(cnt==20'd1000_000)
			led_r<={led_r[1],led_r[0],led_r[2]};		//循环左移，三色LED颜色循环切换
</code>
==== 五、 实验步骤 ====

  * 1、新建工程，点击左侧栏中“新建工程”按钮，弹出“设置（S）”窗口中填写工程名称，选择目标器件为SL2S-25E8U213C，设置输入类型为RTL描述，然后点击“下一步”，弹出“RTL输入”界面，直接点击“完成”。
  * 2、点击左侧栏“设计管理”按钮，新建源文件，或者通过点击左侧边栏的“工程属性”按钮，将例程下的源文件添加到工程中，并将key模块设置成顶层模块。
{{ :icore3l:icore3l_fpga_11_3.png?direct |11-3 添加源文件及设置顶层模块}}
 

  * 3、然后点击“RTL综合”按钮，进行初步编译；无报错后点击左侧栏里的“物理约束”按钮，将按键绑定到相应的引脚；然后点击保存并退出。
{{ :icore3l:icore3l_fpga_11_4.png?direct |图 11-4	添加物理约束，绑定引脚信息}}

  * 4、然后点击左侧栏“全部运行”按钮，进行全编译，生成下载用的bit文件；并将下载器连接到iCore3L双核心板上，给板子上电。
  * 5、点击“下载/编程”按钮，将编译好的bit文件下载到FPGA中。
  * 6、按下按键，观察LED状态的切换。
==== 六、 实验现象 ====

  * 按动iCore3L上的FPGA按键，iCore3L双核心板上的 FPGA·LED在每次按键按下后切换亮灭状态。