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Vivado 下按键控制 LED 实验
1、简介
2、实验环境
3、实验任务
4、硬件设计
5、程序设计
5.1、按键控制 led 模块代码
5.2、Vivado 仿真验证
5.2.1、Testbench 模块代码如下：
5.2.2、Vivado 仿真验证
6、下载验证
6.1、添加约束文件.xdc
6.2、板上下载验证
注意：一定要先把下载器的一端连接到了电脑、另一端连接了 JTAG 接口之后，再给开发板上电！否则，对开发板的 JTAG 接口进行带电热插拔，有一定概率会损坏 JTAG 接口！！！
Vivado 下按键控制 LED 实验
按键是常用的一种控制器件。生活中我们可以见到各种形式的按键，由于其结构简单，成本低廉等特点，在家电、数码产品、玩具等方面有广泛的应用。本章我们将介绍如何使用按键控制多个 LED 的亮灭。
1、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（如下图1.1 ），简称轻触开关。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（如下图1.2 ），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。
2、实验环境
- Windows 10 64 位
- vivado 2020.2
- Xinlinx 黑金 FPGA 开发板（AX7A035t 开发板、AX7A100t 开发板、AX7A200t 开发板）
3、实验任务
使用 Xinlinx 黑金 FPGA 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。
4、硬件设计
如图 3.1 所示，本实验使用四个按键开关控制四个 LED 灯。
如上图所示，开发板上的 4 个按键未按下时，输出高电平，按下后，输出低电平。
5、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。
5.1、按键控制 led 模块代码
按键控制 led 模块的代码如下所示：
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2023/05/10 20:25:57
// Design Name:
// Module Name: key_led
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//
//实验任务：按键控制LED灯
//使用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。
module key_led(
// input sys_clk, //50MHz系统时钟(一个周期是20ns：1/50MHz=0.02us=20ns)
//differential system clocks //200MHz系统时钟(一个周期是5ns：1/200MHz=0.005us=5ns)
input sys_clk_p, // Differential input clock 200Mhz
input sys_clk_n, // Differential input clock 200Mhz
input sys_rst_n, //reset ,low active //系统复位,低电平有效
input [3:0] key, //按键输入信号
output reg [3:0] led //LED输出信号
);
//define the time counter
reg [26:0] cnt;
reg [1:0] led_control;
//*********差分时钟这么处理***START******************
wire sys_clk;
//差分输入时钟缓冲器-黑金FPGA
IBUFDS sys_clk_ibufgds //generate single end clock
(
.O (sys_clk ), //Differential clock converted to single terminal clock
.I (sys_clk_p ),
.IB (sys_clk_n )
);
//*********差分时钟这么处理*****END*******************
//用于计数0.2s的计数器.
//(1/50MHz=0.02us=20ns)(0.2s需计数：0.2s/20ns=10_000_000次)
//(1/200MHz=0.005us=5ns)(0.2s需计数：0.2s/5ns=40_000_000次)
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
cnt <= 26'd0;
//else if (cnt < 26'd9_999_999)
else if (cnt < 26'd39_999_999)
//else if (cnt < 26'd9) //仅用于仿真
cnt <= cnt + 1;
else
cnt <= 0;
end
//用于led灯状态的选择
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n)
led_control <= 2'b00;
else if (cnt == 26'd39_999_999)
//else if (cnt == 26'd9) //仅用于仿真
led_control <= led_control + 1'b1;
else
led_control <= led_control;
end
//识别按键，切换显示模式
always @(posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
if (!sys_rst_n) begin
led <= 4'b0000;
end
else if (key[0]==0) //按键1 按下时，从右向左的流水灯效果
case(led_control)
2'b00 : led <= 4'b1000;
2'b01 : led <= 4'b0100;
2'b10 : led <= 4'b0010;
2'b11 : led <= 4'b0001;
default : led <= 4'b0000;
endcase
else if (key[1]==0) //按键2 按下时，从左向右的流水灯效果
case(led_control)
2'b00 : led <= 4'b0001;
2'b01 : led <= 4'b0010;
2'b10 : led <= 4'b0100;
2'b11 : led <= 4'b1000;
default :led <= 4'b0000;
endcase
else if (key[2]==0) //按键3 按下时，LED灯闪烁
case(led_control)
2'b00 : led <= 4'b1111;
2'b01 : led <= 4'b0000;
2'b10 : led <= 4'b1111;
2'b11 : led <= 4'b0000;
default :led <= 4'b0000;
endcase
else if (key[3]==0) //按键4 按下时，LED灯全亮
led <= 4'b1111;
else
led <= 4'b0000; //无按键按下时,LED全熄灭
end
endmodule
代码主要分为三个部分，第 49 至 61 行对系统时钟计数，当计数时间达 0.2s 时，计数器清零，同时使led_control 在四个状态（00,01,10,11）内依次变化。第 74 至 107 行利用 case 语句实现对按键状态的检测，当不同的按键按下时，led 随着 led_control 的变化，被赋予不同的值。仿真时我们设为每 10 个时钟周期，进行一次状态转换一次，如代码第 57 和 68 行。
大家可以发现，本次实验和流水灯实验计数时间都是0.2s，本次实验的计数器最大可以计数到39_999_999，而流水灯实验中计数器的值最大可以计数到 40_000_000。事实上，这两个实验计数器都是从 0 开始计数的，
本次实验从 0 计数到 39_999_999，需要 40_000_000 个时钟周期，而系统时钟为 5ns，所以计数的时间为 0.2s， 而流水灯实验从 0 计数到 40_000_000 需要 40_000_001 个时钟周期，因此其计数时间实际上比 0.2s 要多出 5ns。
5.2、Vivado 仿真验证
为了验证我们的程序，我们使用 Vivado 对代码进行仿真。
5.2.1、Testbench 模块代码如下：
`timescale 1ns / 1ps
//
// Company:
// Engineer:
//
// Create Date: 2023/05/10 21:08:42
// Design Name:
// Module Name: tb_key_led
// Project Name:
// Target Devices:
// Tool Versions:
// Description:
//
// Dependencies:
//
// Revision:
// Revision 0.01 - File Created
// Additional Comments:
//
//
//实验效果：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。
module tb_key_led(); //测试模块
//parameter T = 20; //时钟周期为20ns
parameter T = 5; //时钟周期为5ns
// Inputs
reg [3:0] key; //按键信号
//reg sys_clk; //时钟信号
reg sys_clk_p; //时钟信号
wire sys_clk_n;
reg sys_rst_n; //复位信号
// Outputs
wire [3:0] led;
//***************************************
//** main code
//***************************************
initial begin
key <=4'b1111; //按键初始状态全为断开
// sys_clk <=1'b0; //初始时钟为低电平
sys_clk_p <=1'b0; //初始时钟为低电平
sys_rst_n <=1'b0; //复位信号初始为低电平
#50 sys_rst_n <=1'b1; //50个时间单位后后复位信号拉高
key[0] <=0; //50ns时按下按键1
#160 key[0] <=1;
key[1] <=0; //800ns后松开按键1，按下按键2
#160 key[1] <=1;
key[2] <=0; //800ns后松开按键2，按下按键3
#160 key[2] <=1;
key[3] <=0; //800ns后松开按键3，按下按键4
#160 key[3] <=1; //800ns后松开按键4
end
//always #(T/2) sys_clk <= ~sys_clk; //每半个周期后，电平取反一次。
always #(T/2) sys_clk_p <= ~sys_clk_p; //每半个周期后，电平取反一次。
assign sys_clk_n=~sys_clk_p;
//实例化key_led模块
key_led u_key_led(
// .sys_clk (sys_clk),
.sys_clk_p (sys_clk_p),
.sys_clk_n (sys_clk_n),
.sys_rst_n (sys_rst_n),
.key (key),
.led (led)
);
endmodule
5.2.2、Vivado 仿真验证
仿真波形如下：
观察代码，结合波形分析可知。43 至 49 行代码为对时钟信号、复位信号、按键信号赋初始值，默认为按键全断开。在第一个周期按下按键 key0（kye[0]由高电平变为低电平），可观察到 led3 至 led0 依次点亮，呈现自右向左的流水效果；按键 key0 断开的同时按下按键 key1，可观察到 led0 至 led3 依次点亮，呈现自左向右的流水效果；按键 key1 断开的同时按下按键 key2，可观察到 led0 至 led3 呈现闪烁效果；按键 key2 断开的同时按下按键 key3，可观察到 led0 至 led3 保持全亮。
6、下载验证
6.1、添加约束文件.xdc
添加约束文件 key_led.xdc，添加约束文件.xdc 的详细步骤见： Vivado 下 LED 流水灯实验_OliverH-yishuihan的博客-CSDN博客 中的 “4.3、添加 XDC管脚约束文件”
约束文件 key_led.xdc 的具体内容如下：
############## clock define 时钟引脚、电平信号约束#####黑金-FPGA##################
create_clock -period 5.000 [get_ports sys_clk_p]
set_property PACKAGE_PIN R4 [get_ports sys_clk_p]
set_property IOSTANDARD DIFF_SSTL15 [get_ports sys_clk_p]
############## reset key define##########################
set_property -dict {PACKAGE_PIN F15 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports sys_rst_n]
############## LED define ############################
set_property -dict {PACKAGE_PIN L13 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {led[0]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN M13 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {led[1]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K14 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {led[2]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K13 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {led[3]}]
############## key define ############################
set_property -dict {PACKAGE_PIN L19 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {key[0]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN L20 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {key[1]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN K17 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {key[2]}]
set_property -dict {PACKAGE_PIN J17 IOSTANDARD LVCMOS15} [get_ports {key[3]}]
############ SPI Configurate Setting####固化后，重新一上电就开始工作##############
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]
set_property CONFIG_MODE SPIx4 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]6.2、板上下载验证
编译工程并生成比特流.bit 文件后，接下来我们下载比特流.bit 文件，验证按键控制 LED 灯的功能。程序下载完成后，我们按 KEY0、KEY1、KEY2 和 KEY3，就可以看到按键对应的实验现象了。
详细步骤见： Vivado 下 LED 流水灯实验_OliverH-yishuihan的博客-CSDN博客 中的 “4.6 下载和调试”、“4.7、FLASH 程序固化”
