小梅哥Xilinx FPGA学习笔记17——模块化设计基础之加减法计数器
目录
一： 章节导读
1.1 任务要求
1.2 模块功能划分
二： 代码设计
2.1 灯控制逻辑（led_ctrl）
2.2 按键消抖模块（key_filter）
2.3 顶层模块（key_led）
2.4 引脚绑定
一： 章节导读
在相对大一点的工程设计过程中，设计内容通常不会写在一个设计文件而是会针对不同的功能设计出不同的子文件，最后在顶层文件中再进行例化调用。
1.1 任务要求
在上面设计并验证了独立按键的消抖，这里基于上一讲的按键消抖模块，利用 EDA 扩展板来实现一个加减法、移位计数器，实现每次按下按键 S0，8 个LED 显示状态以二进制加法格式加1，每次按下按键 S1，8 个 LED 显示状态以二进制加法格式减 1，每次按下按键 S2，8 个 LED 显示状态以二进制格式左移 1位，每次按下按键 S3，8 个 LED 显示状态以二进制格式右移 1 位，并以此学习模块化的设计方式。在后面章节中将利用第四章编写好的独立模块，组合起来设计一些应用性较强的项目，进一步理解模块化设计方式的优点。
1.2 模块功能划分
为了实现四个按键控制 LED 灯按照二进制计数方式的加减、移位，可以将本讲模块划分为四个按键消抖模块以及一个 LED 控制模块，其模块间的连线如下图所示，这里的 key_in0~3 对应原理图上的 S0~S3 ， S4 作为复位信号使用。
二： 代码设计
2.1 灯控制逻辑（led_ctrl）
module led_ctrl(
input clk,
input reset_n,
input key_add,//自加按键（这是脉冲信号连接按键消抖模块中的按下脉冲标志Key_P_Flag）
input key_sub,//自减按键
input key_shift_l, //左移按键
input key_shift_r, //右移按键
output reg [7:0]led //led 显示
);
always@(posedge clk or negedge reset_n)
if(!reset_n)
led <= 8'b0000_0000;
else if(key_add)
led <= led + 1'b1;
else if(key_sub)
led <= led - 1'b1;
else if(key_shift_l)
led <= (led << 1);
else if(key_shift_r)
led <= (led >> 1);
else
led <= led;
endmodule
2.2 按键消抖模块（key_filter）
//基于状态机思维的按键消抖功能verilog实现思路
//1. 对异步输入信号打拍消除亚稳态
//2.寄存打拍后信号，对比得出上升沿与下降沿标志信号
//3.列出所有状态，编写状态机整体框架
//4.编写各状态间跳转方向以及对应跳转条件
//5.编写状态输出逻辑，在正确时刻输出信号赋值
module key_filter(
input Key,
input Clk,
input Reset_n,
output reg Key_P_Flag,
output reg Key_R_Flag,
output reg Key_State//向外输出过滤后的电平信号，使得输出电平比较干净。
);
reg [29:0]cnt_20ms;//定时20ms计数器
reg [1:0]state;
reg sync_d0_key,sync_d1_key;//定义两个同步D触发器的输出作为输入是为了消除未知信号Key的亚稳态,以及将异步信号Key变为同步信号
reg r_key;//定义下降沿
wire nedge_key;//下降沿定义
wire pedge_key;//下降沿定义
always@(posedge Clk)
sync_d0_key <= Key;
always@(posedge Clk)
sync_d1_key <= sync_d0_key;
always@(posedge Clk)
r_key <= sync_d1_key;
assign nedge_key = (sync_d1_key == 0)&&(r_key == 1);
assign pedge_key = (sync_d1_key == 1)&&(r_key == 0);
localparam IDLE = 0;//localparam是本地参数定义，用于定义一个标识符代表常量，无法进行参数传递，不可修改
localparam P_FILTER = 1; //parameter可以进行参数传递，就是可修改的意思。
localparam WAIT_R = 2;
localparam R_FILTER = 3;
parameter Dly_20ms_cnt = 1000_000-1;
wire time_20ms_reached;
assign time_20ms_reached = (cnt_20ms >= Dly_20ms_cnt);
always@(posedge Clk or negedge Reset_n)
if(!Reset_n)begin
state <= IDLE;
Key_R_Flag <= 0;
Key_P_Flag <= 0;
cnt_20ms <= 0;
Key_State <= 1;
end
else begin
case(state)
IDLE:
if(nedge_key)
state <= P_FILTER;
else begin
state <= IDLE;
Key_R_Flag <= 0; //告知外界按键已经松开
end
P_FILTER:
if(time_20ms_reached)begin//顺利到达20ms说明按键已经顺利按下
state <= WAIT_R;
Key_P_Flag <= 1; //告知外界按键已经按下
cnt_20ms <= 0;//计时到20ms后直接清零。
Key_State <= 0;//此时外界按键已经按下，所以输出低电平
end
else if(pedge_key)begin
state <= IDLE;
cnt_20ms <= 0;//回到IDLE后清零重新计数
end
else begin
state <= state;
cnt_20ms <= cnt_20ms+1;//其他状态开始计数
end
WAIT_R:
if(pedge_key)
state <= R_FILTER;
else begin
state <= WAIT_R;
Key_P_Flag <= 0;
end
R_FILTER:
if(time_20ms_reached)begin
state <= IDLE;
Key_R_Flag <= 1; //告知外界按键已经松开
cnt_20ms <= 0;//计时到20ms后直接清零。
Key_State <= 1; //此时外界按键已经松开，所以Key_State为高电平，这样输出电平就比较干净
end
else if(nedge_key)begin
state <= WAIT_R;
cnt_20ms <= 0;//回到WAIT_R后清零重新计数
end
else begin
state <= state;
cnt_20ms <= cnt_20ms+1;//其他状态开始计数
end
endcase
end
endmodule
2.3 顶层模块（key_led）
module key_led(
input clk,
input reset_n,
input key_in0,//自加按键
input key_in1,//自减按键
input key_in2, //左移按键
input key_in3, //右移按键
output [7:0]led //led 显示
);
wire Key_P_Flag0;（不同的按键产生不同的脉冲信号）
wire Key_P_Flag1;
wire Key_P_Flag2;
wire Key_P_Flag3;
key_filter key_filter_inst0(
.Key(key_in0),
.Clk(clk),
.Reset_n(reset_n),
.Key_P_Flag(Key_P_Flag0),
.Key_R_Flag(),
.Key_State()//向外输出过滤后的电平信号，使得输出电平比较干净。
);
key_filter key_filter_inst1(
.Key(key_in1),
.Clk(clk),
.Reset_n(reset_n),
.Key_P_Flag(Key_P_Flag1),
.Key_R_Flag(),
.Key_State()//向外输出过滤后的电平信号，使得输出电平比较干净。
);
key_filter key_filter_inst2(
.Key(key_in2),
.Clk(clk),
.Reset_n(reset_n),
.Key_P_Flag(Key_P_Flag2),
.Key_R_Flag(),
.Key_State()//向外输出过滤后的电平信号，使得输出电平比较干净。
);
key_filter key_filter_inst3(
.Key(key_in3),
.Clk(clk),
.Reset_n(reset_n),
.Key_P_Flag(Key_P_Flag3),
.Key_R_Flag(),
.Key_State()//向外输出过滤后的电平信号，使得输出电平比较干净。
);
led_ctrl led_ctrl(
.clk(clk),
.reset_n(reset_n),
.key_add(Key_P_Flag0),//自加按键（脉冲信号）
.key_sub(Key_P_Flag1),//自减按键
.key_shift_l(Key_P_Flag2), //左移按键
.key_shift_r(Key_P_Flag3), //右移按键
.led(led) //led 显示
);
endmodule
2.4 引脚绑定
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[7]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[6]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[5]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[4]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {led[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports key_in0]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports key_in1]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports key_in2]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports key_in3]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports reset_n]
set_property PACKAGE_PIN U18 [get_ports clk]
set_property PACKAGE_PIN H20 [get_ports key_in0]
set_property PACKAGE_PIN H16 [get_ports key_in1]
set_property PACKAGE_PIN J20 [get_ports key_in2]
set_property PACKAGE_PIN J19 [get_ports key_in3]
set_property PACKAGE_PIN F20 [get_ports reset_n]
set_property PACKAGE_PIN K18 [get_ports {led[7]}]
set_property PACKAGE_PIN H17 [get_ports {led[6]}]
set_property PACKAGE_PIN J18 [get_ports {led[5]}]
set_property PACKAGE_PIN K19 [get_ports {led[4]}]
set_property PACKAGE_PIN G18 [get_ports {led[3]}]
set_property PACKAGE_PIN G20 [get_ports {led[2]}]
set_property PACKAGE_PIN G19 [get_ports {led[1]}]
set_property PACKAGE_PIN G17 [get_ports {led[0]}]
上述代码全部经过上板验证，均正确且可正常使用。