FPGA实战篇——【2】按键控制LED灯闪烁_ensure that the previous constraint specification

FPGA实战——按键控制LED灯

实验任务

无按键按下时，LED 灯全灭；
按键 key0 按下时，LED 灯显示自左往右的流水；
按键 key1 按下时，LED 灯显示自右往左的流水；
按键 key2 按下时，四个 LED 灯同时闪烁；
按键 key3 按下时，LED 灯全亮。

硬件电路

程序设计

1.RTL文件编写

首先我们要了解一下编程的思路。通过按键来实现灯全亮全灭其实很容易，但是要实现流水灯的效果，这就要结合我们上一节的流水灯的知识，就需要一个计数器。我们的思路是这样的：
（由于初学，我们先不进行消抖；然后按键也要一直按着才一直执行，松开就不再执行对应程序段）

• 流水灯是需要计数器的，所以我们先定义计数器。这个计数器以0.2s为周期。
• 如果key0被按下，是需要流水灯的，我们就先设置一个led_ctrl变量，来为led目前的状态编码，这个状态每计数器周期就变化一次（也就是一直在流水，就是我们在硬件电路是否调用的问题，调用它就显示出流水）
• 我们检测按键是否被按下，当key0被按下的时候，我们就对led_ctrl进行判断，对4个状态进行赋值（led_ctrl有4个状态，分别对应4个流水灯亮的状态），一直按着key0就可以实现流水
• 同理，剩余3个按键的就很简单了。
• 总结来就是，我们需要一个计数器（一个always块），一个控制led状态的程序（一个always块），一个检测按键，控制led（一个always块）

程序代码如下：

module key_led(
		input            sys_clk,
		input            sys_rst_n,
				   
		input 	   [3:0] key,
				   
		output reg [3:0] led
		);

reg [23:0] cnt;      //计数器 
reg [1:0]  led_ctrl; //led状态变量

//0.2秒计数器
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
		if(!sys_rst_n)
			cnt <= 24'd0;
		else if(cnt < 24'd1000_0000)
			cnt <= cnt + 1'b1;
		else
			cnt <= 24'd0; //这是已经数到最大值了，就赋值0	
end

//led状态赋值  ，这是控制led的状态的，只有流水的时候有用
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
		if(!sys_rst_n)
			led_ctrl <= 2'b00;
		else if(cnt == 24'd1000_0000)   //计数器周期0.2s，所以led每0.2s状态加一
			led_ctrl <= led_ctrl + 1'b1;
		else
			led_ctrl <= led_ctrl;
end

//按键控制led状态
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
		if(!sys_rst_n)
			led <= 4'b0000;
		else if(key[0] == 0)  //如果key0按下，实现从左向右的流水灯
			case(led_ctrl)   
				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[1] == 0)  //如果key1按下，实现从右向左的流水灯
			case(led_ctrl)   
				2'b11  :  led <= 4'b0001;
				2'b10  :  led <= 4'b0010;
				2'b01  :  led <= 4'b0100;
				2'b00  :  led <= 4'b1000;
				default:  led <= 4'b0000;
			endcase	
		else if(key[2] == 0)  //如果key2按下，所有灯同时闪烁
			case(led_ctrl)   
				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)  //如果key3按下，所有灯都亮。
			led <= 4'b1111;
		else                
			led <= 4'b0000;	
end
endmodule
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2.约束文件ucf

NET sys_clk            TNM_NET = sys_clk_pin;
TIMESPEC TS_sys_clk_pin = PERIOD sys_clk_pin 20ns HIGH 50%;

NET sys_clk     LOC = T8 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET sys_rst_n   LOC = L3 | IOSTANDARD = LVCMOS33;

NET led<0>   	LOC = P4 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET led<1>   	LOC = N5 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET led<2>   	LOC = P5 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET led<3>   	LOC = M6 | IOSTANDARD = LVCMOS33;

NET key<0>   	LOC = C3 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET key<1>   	LOC = D3 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET key<2>   	LOC = E4 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
NET key<3>   	LOC = E3 | IOSTANDARD = LVCMOS33;
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两次实验都出的一个错误。报错如下
key_led.ucf(1): Syntax error. Ensure that the previous constraint specification was terminated with ‘;’.

实际上，不用看后面的 ；提示，问题出在，没有加等号=
TNM_NET = sys_clk_pin; 被写成了
TNM_NET sys_clk_pin; 就报错了

而且有意思的是，这个错误两次都犯过，都是刚开始没意识到的时候，第一次编译总是没有报错，第二次编译才没通过，很奇怪，如果有大佬看见，希望告诉一下原因。

3.下载程序

编译完成之后，就可以生成bit流文件然后下载到开发板了。

RTL图

综合之后就可以看，但是实验来看，需要编译成功，才能看到我们期望看到的那个图。如下图设置好端口，点击右下角的Create Schematic即可。

生成RTL图如下

仿真tb文件编写

因为按键检测，硬件上需要按键去按下松开，是我们人的操作，那tb文件去仿真的时候如何实现呢。我们的思路就是每延时几秒，通过程序让key[i] = 0，通过软件赋值来实现。
//注意，我们要写的操作是在initial中就完成，而不是在always这里，always这是生成时钟。
//新建文件后， 从头开始修改、编写代码！！！修改模块名，initial语句块的赋值等。。。。

`timescale 1ns / 1ns

module tb_key_led();

	// Inputs
	reg sys_clk;
	reg sys_rst_n;
	reg [3:0] key;

	// Outputs
	wire [3:0] led;

	// Instantiate the Unit Under Test (UUT)
	key_led u_key_led (
		.sys_clk(sys_clk), 
		.sys_rst_n(sys_rst_n), 
		.key(key), 
		.led(led)
	);

	initial begin
		// Initialize Inputs
		sys_clk    <= 1'b0;
		sys_rst_n  <= 1'b0;
		key        <= 4'b1111;
		
		// Wait 100 ns for global reset to finish
		#100;
        sys_rst_n  <= 1'b1;
		// Add stimulus here
		// 1ns * 800_000_000 = 0.8s 
		#2000_0000 key[0] <= 0;    
		#2000_0000 key[0] <= 1;
                   key[1] <= 0; 
		#2000_0000 key[1] <= 1;
                   key[2] <= 0; 
		#2000_0000 key[2] <= 1;
                   key[3] <= 0; 
		#2000_0000 key[3] <= 1;		
	end
	//注意，我们要写的操作是在initial中就完成，而不是在always这里，always这是生成时钟
	always #10 sys_clk = ~sys_clk;
	
endmodule
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出现了一个错误
(vopt-2133) Instantiating ‘u_key_led’ has exceeded the recursion depth limit of 200.

就是这里重名了，导致嵌套死循环。修改如下
最终1s时间内的仿真如图：

以上就是按键控制LED闪烁的工程，包括例化、按键消抖等还未设计，将在之后的工程练习中学习。