🔘 按键控制 LED 灯实验：FPGA 的第一个输入

这一篇在干嘛？

前两个实验的 FPGA 都只「输出」——灯自己按固定节奏闪。这一篇第一次引入输入：用 4 个按键控制 4 个 LED，按不同的键，LED 呈现不同的显示效果。你会学到多输入信号的判断、用节拍计数器驱动状态机、以及 case 语句实现多模式切换的经典写法。

实验目标与设计思路

实验任务：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：

• 按下按键 1：4 个 LED 灯显示从右向左流水灯效果；
• 按下按键 2：4 个 LED 灯显示从左向右流水灯效果（代码注释口径）；
• 按下按键 3：4 个 LED 灯同时闪烁；
• 按下按键 4：4 个 LED 灯同时常亮；
• 没有按键按下：LED 全灭。

系统框图如下：

系统框图

设计的关键在于：流水灯和闪烁都需要一个时间节拍。代码里用一个 24 位计数器 cnt 计数 0.2 秒（50MHz × 0.2s = 10_000_000 个时钟，计到 9_999_999），数满一轮就让模式节拍变量 led_control（2 位，0~3 循环）加 1。然后根据当前按下的按键，用 case (led_control) 决定 LED 该显示哪种图案。这样不同模式共用同一节拍，逻辑非常清爽。

Verilog 实现

完整代码如下（原文排版把模块头部放在了代码块外，这里按原样合并还原）：

module key_led(
input sys_clk , //50Mhz 系统时钟
input sys_rst_n, //系统复位，低有效
input [3:0] key, //按键输入信号
output reg [3:0] led //LED 输出信号
);
//reg define
reg [23:0] cnt;
reg [1:0] led_control;
//用于计数 0.2s 的计数器
always @ (posedge sys_clk or negedge sys_rst_n) begin
    if(!sys_rst_n)
    cnt <= 24'd0;
    else if(cnt < 24'd9_999_999)
    //else if(cnt < 24'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 == 24'd9_999_999)
    //else if(cnt == 24'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全亮
    led=4'b1111;
else
    led<=4'b0000; //无按键按下时，LED熄灭
endmodule

逐块拆解：

① 0.2 秒节拍计数器

cnt 从 0 计到 9_999_999（共 10_000_000 个时钟，即 0.2 秒）后归零。注释里保留了 else if(cnt < 24'd9) //仅用于仿真 的写法——仿真时把终值改小，几拍就能看到模式切换，不用等 0.2 秒，这与软件流程篇里缩短 T1S 是同一个技巧。

② 模式节拍 led_control

每 0.2 秒加 1。它是 2 位寄存器，从 2'b00 涨到 2'b11 后自动溢出回 2'b00，天然形成 0→1→2→3 的循环，正好对应流水灯的 4 步或闪烁的亮/灭交替。

③ 按键判断与模式输出

第三个 always 块用 if / else if 链依次判断 4 个按键（低电平表示按下，所以判断 key[n] == 0），每个按键对应一个 case (led_control)：

• 按键 1：1000 → 0100 → 0010 → 0001，亮灯位置每 0.2 秒移动一步（从右向左的流水灯，按 LED 编号从高位到低位）；
• 按键 2：0001 → 0010 → 0100 → 1000，方向相反；
• 按键 3：1111 → 0000 → 1111 → 0000，0.2 秒亮、0.2 秒灭，整体闪烁；
• 按键 4：直接 led = 4'b1111 常亮（注意这句用的是阻塞赋值 =，与其他分支的非阻塞赋值 <= 不一致，属于原文写法，初学阶段建议统一用 <=）。

按键是低电平有效，别把判断写反

开发板上的按键未按下时引脚被上拉为高电平，按下才接地变低。所以代码里用 key[n] == 0 判断「按下」。如果写成 == 1，现象就是「不按键灯狂跑、一按全灭」。另外 led 的 4 位中 led[0] 对应 LED1（A4 引脚），流水方向以板上实际位置为准，方向反了就把 case 里的顺序对调。

多个按键同时按下会怎样？

if / else if 链是有优先级的：key[0] 优先级最高。同时按住按键 1 和按键 3，生效的是按键 1 的流水灯模式。想让「最后按下的键生效」就需要更复杂的状态记录逻辑，这是后面可以自己挑战的扩展题。

还有一点值得注意：这个实验没有做按键消抖。机械按键按下瞬间会有几毫秒的抖动，本实验中按键只充当「模式选择开关」，抖动的影响被 0.2 秒的节拍掩盖了，看不出异常。但一旦按键用于计数（按一次加一），就必须加消抖逻辑——记住这个伏笔。

引脚约束

本实验中，系统时钟、复位按键、按键和 LED 灯的管脚如下表所示。

Anlogic IO Constraint

	Name	Direction	Bank	Location
1	key[3]	input	bank3	C1 按键4
2	key[2]	input	bank3	B1 按键3
3	key[1]	input	bank3	B2 按键2
4	key[0]	input	bank3	A2 按键1
5	led[3]	output	bank0	B12 LED4
6	led[2]	output	bank0	C10 LED3
7	led[1]	output	bank0	A3 LED2
8	led[0]	output	bank0	A4 LED1
9	sys_clk	input	bank2	R7 时钟
10	sys_rst_n	input	bank0	C5 复位

注意两点：本实验中 4 个按键的引脚是 C1、B1、B2、A2（bank3），与前一篇呼吸灯里作为复位用的 A2 是同一个物理引脚——也就是说按键 1 和复位键共用 A2，不同实验的复用关系以各实验的约束表为准，不能混用；本实验的复位键是 C5，与其他实验的 A2 不同，下载前务必核对。

对应的 .adc 约束写法（以 sys_clk 为例）：

set_pin_assignment { sys_clk } { LOCATION = R7; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }

其余信号按上表逐条填写即可，方法同软件流程篇。

下载测试

按标准流程编译布线、下载程序后，分别按动四组按键，观察 LED 灯的不同显示形式：

• 按键 1：从右向左流水灯；
• 按键 2：从左向右流水灯；
• 按键 3：四灯同步闪烁；
• 按键 4：四灯常亮；
• 松开所有按键：全灭。

如果发现某个按键没反应，优先检查引脚约束是否与上表一致、IO Constraint 界面里该信号是否真的锁上了（改完 .adc 记得重新编译）。

现象与总结

本实验的三个关键收获：

1. FPGA 第一次「听」懂了输入：key[3:0] 是异步进来的电平信号，代码在时钟节拍下同步采样它，这是所有交互式 FPGA 设计的最小雏形；
2. 节拍 + 状态机：cnt（0.2s 计时）驱动 led_control（2 位循环状态），case 把状态翻译成输出图案。「计数器 → 状态寄存器 → case 输出」是数字系统里最常见的三段式结构；
3. 优先级判断：if / else if 链让多输入有了优先级，同时也意味着一次只有一个按键的模式生效。

扩展练习：把流水灯速度加快一倍（cnt 终值减半）；新增一种「来回流水」模式（需要给 led_control 加方向标志）。

自测

自测

1. 代码里判断按键用 key[n] == 0，为什么是等于 0 才算按下？如果写反会出现什么现象？
2. 0.2 秒的节拍是怎么算出来的？写出 50MHz 时钟下计 0.2 秒需要的计数终值。
3. led_control 为什么定义成 2 位就够？它从 2'b11 再加 1 会变成什么？
4. 同时按下按键 1 和按键 4，LED 会显示什么？为什么？
5. 本实验为什么可以不做按键消抖？在什么场景下按键消抖就变成必需的了？
6. 本实验的复位引脚是哪个？它和呼吸灯实验的复位引脚相同吗？为什么每次实验都要核对约束表？