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|  V1.0  |  2020-04-03  |  gingko  |  初次建立  | 

===== 实验九：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。
  - 掌握 FPGA 引脚的配置方法。
  - 学习按键消抖的实现方法。 
==== 二、实验设备及平台 ====
 
  - iCore4T 双核心板+iCore4T扩展底板。
  - iTool A（或相同功能）仿真器。 
  - USB Type C 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 ==== 
  * **按键动作检测和消抖**
  * 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。当该 I/O 口被设置为输入口使用时，该 I/O 控制模块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 引脚即可用输入引脚使用。
  * iCore4T超迷你核心板上是没有按键的，其扩展板上有个按键，可以通过扩展接口和FPGA相连。原理图如下：
{{ :icore4t:icore4t_fpga_9_1.png?direct |}}
  * 从原理图中可以看到，按键未按下时，FPGA引脚是悬空的，此时该引脚对外呈高阻态。当按键按下时，FPGA电平为高。正确分配并锁定引脚后，一旦检测到按键有变化，即可切换 LED 的状态。
  * 也就是通过检测FPGA_KEY引脚的电平变化，判断按键状态，进而控制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判断按键稳定状态的电平，因此在设计中要对按键动作做消抖处理。原理很简单，检测到跳变沿后做延时处理，跳过抖动阶段，再读取按键状态，从而实现按键消抖操作。
==== 四、代码实现 ====
  * 本实验代码较为简单，首先使对输入信号进行延迟1拍处理，便于进行沿跳变检测。检测到下降沿后开始计数。然后在对时钟计数持续约40ms后，采集按键输入引脚的电平状态，进而控制LED的亮灭切换。
  * 代码理解和实现较为简单，不过需要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 FPGA_KEY_r;
	
	always@(posedge CLK_25M or negedge rst_n)
		if(!rst_n)
			FPGA_KEY_r<=1'b0;
		else
			FPGA_KEY_r<=FPGA_KEY;//输入信号延迟1拍
			
	reg [19:0]cnt;
	reg flag;
	always@(posedge CLK_25M or negedge rst_n)
		if(!rst_n)
			flag<=1'd0;
		else if((FPGA_KEY==1'd0)&&(FPGA_KEY_r==1'd1))//下降沿检测
			flag<=1'd1;
			else if((FPGA_KEY==1'd1)&&(FPGA_KEY_r==1'd0))//上升沿检测
			flag<=1'd0;
			
	always@(posedge CLK_25M or negedge rst_n)
		if(!rst_n)
			cnt<=20'd0;
		else if((cnt<20'd1000000)&&(flag))//约40ms
			cnt<=cnt+1'd1;
			else if((cnt==20'd1000000)&&(flag))
				cnt<=cnt;
				else
					cnt<=20'd0;
	
	reg led;
	always@(posedge CLK_25M or negedge rst_n)//LED 状态切换
		if(!rst_n)
			led<=1'd1;
		else if(cnt==20'd900000)
			led<=~led;
</code>
  * 编译完代码，在将程序烧录到FPGA之前，要对FPGA的引脚进行设置。将时钟、按键、LED信号绑定到对应引脚，绑定信息可以参考iCore4T的原理图，或者例程文件夹下的.tcl文件。其他未使用引脚要设置为三态输入，设置步骤参考如下：
1、点击Assignments，下拉菜单中点击Device…。
{{ :icore4t:icore4t_fpga_9_2.png?direct&850 |}}
2、弹出窗口中点击Device and Pin Options… 。
{{ :icore4t:icore4t_fpga_9_3.png?direct&850 |}}
3、点击左侧边栏中的Unused Pins，右侧下拉菜单中选择As input tri-stated，然后点击OK即可。
{{ :icore4t:icore4t_fpga_9_4.png?direct&850 |}}
4、回到工程主界面后点击保存按钮，然后点击编译，至此完成引脚设置。
==== 五、实验步骤 ==== 
  - 将iCore4T双核心版插入底板的金手指插座，轻轻下压，使双核心板和底板联通并固定在底板上。
  - 把仿真器与 iCore4T 的调试口相连；
  - 把iCore4T通过 USB 线与计算机相连，为 iCore4T 供电；
  - 打开本实验工程； 
  - 烧写程序到 iCore4T 上； 
  - 按下按键，观察LED状态的切换。
==== 六、实验现象 ==== 
  * 按动iCore4T 底板的FPGA按键，iCore4T 双核心板上的 FPGA_LED（PCB 上标示为 FPGA·LED）在每次按键按下后切换亮灭状态。