第四十二章：IO拓展实验（初学者详解）

第四十二章：IO拓展实验

本文对应原书第1088页起，第五篇「实战篇」。

本章在讲什么？（先看这个）

开发板板载的按键和 LED 数量有限，实际项目经常需要更多外设。本章使用正点原子 IO 扩展板，一口气学习三种经典外设的驱动：

1. 4x4 矩阵键盘（16 个按键）：学习"行列扫描"这一经典省引脚技巧；
2. 4 位八段数码管：学习静态显示与段码译码；
3. 8 位拨码开关 + 8 个 LED：最简单的状态直接映射。

实验任务：矩阵键盘按下的键值显示在数码管上，拨码开关的状态实时反映到 LED 上。这些模块看似简单，但矩阵键盘扫描状态机和数码管驱动是所有嵌入式工程师的基本功。

核心概念拆解

IO 扩展板硬件一览

扩展板通过 20x2 排针插接到开发板扩展口，上面集成的外设：

• 8 个 LED：共阴接法（阳极接 FPGA IO，阴极公共接地，IO 输出高电平点亮）；
• 8 位拨码开关：断开时由于另一端上拉呈现高电平，闭合时接地变低电平——所以读到的开关状态是"闭合=0"；
• 4 个八段数码管：共阴，位选和段选信号都引出到扩展口；
• 4x4 矩阵键盘：4 根行线接 3.3V 上拉，4 根列线由 FPGA 驱动，行列 8 个端口全部接 FPGA。

八段数码管与静态显示

八段数码管 = 7 段（a~g）+ 1 个小数点（dp），每段是一个 LED。共阴数码管段亮需要段选线输出高电平。显示 0~F 需要段码表：

数字	段码	数字	段码
0	8'h3f	8	8'h7f
1	8'h06	9	8'h6f
2	8'h5b	a	8'h77
...	...	f	8'h71

静态显示的原理：每位数码管的段选线独立连接，只要段选不变就一直显示。优点是程序简单，缺点是引脚占用多——本章 4 位数码管用静态方式足够，但如果位数很多就要用动态扫描（下章交通灯实验会讲）。

矩阵键盘扫描：key_4x4 模块（6 状态机）

矩阵键盘把 16 个按键排成 4 行 4 列，行线被上拉为高电平。检测原理：FPGA 在列线上输出低电平，若某行某列交叉点的按键被按下，对应行线就被拉低——由此定位按键坐标。

但 4 根列线同时输出低会有问题（多键同按时分不清），所以用逐列扫描：每次只让一列为低。书上设计了一个 6 状态的状态机：

• 状态 0：所有列线全输出低（粗扫，快速检测有无按键）；
• 状态 1~4：依次输出 4'b1110 → 4'b1101 → 4'b1011 → 4'b0111（逐列扫低，精确定位是哪一列）；
• 状态 5：锁存键值，等待按键释放。

消抖设计：delay_cnt 初值 1000000（50MHz 下即 20ms），检测到按键有效后计数消抖；"计数到 1"即认为按键稳定有效（而不是计到 0，注意这个细节）。

键值译码：按下后行线值 key_row_reg 和列线值 key_col_reg 拼成 8 位：

key_value = {key_col_reg, key_row_reg};   // 行列拼接
case ({key_col_reg, key_row_reg})
    8'b1110_1110 : key_value_t = 6'd0;    // 第0列第0行 → 键值0
    8'b1110_1101 : key_value_t = 6'd1;
    // ……共16种组合对应键值0~15
    8'b0111_0111 : key_value_t = 6'd15;
endcase

16 种组合逐一 case 译码，得到 0~15 的键值。

数码管驱动：seg_led 模块

本模块显示单个键值（0~15 对应 0~F）。注意扩展板数码管虽是共阴，但硬件上可能经过了驱动电路反相，代码里做了取反处理：

assign sel_t     = ~sel;          // 位选取反
assign seg_led_t = ~seg_led;      // 段选取反

段码用组合逻辑 case 译码（0=8'h3f ... f=8'h71），位选在本实验静态显示下固定使能一位。

拨码开关：swi_led 模块

最简单的一个模块，核心就一行：

assign led = swi;    // 开关状态直接映射到LED

开关断开（读 1）→ LED 亮？不对——开关"闭合=0"，所以拨下开关 LED 熄灭或点亮取决于硬件极性，上板一试便知。这个模块存在的意义是让你体会"输入直接映射输出"的最小系统。

顶层模块 top_matrix_keyboard

例化 key_4x4（键值扫描）、seg_led（键值显示）、swi_led（开关→LED），把键值接到数码管显示端口。

图片对照

• 硬件：图 42.1.1（扩展板实物图）、图 42.2.1（扩展板原理图）、图 42.2.2（八段数码管结构图）、图 42.2.3（四位数码管等效电路）。
• 矩阵键盘：图 42.4.3（扫描模块框图）、图 42.4.4（端口波形）、图 42.4.5（状态图）、图 42.4.6（扫描波形）——状态机六个状态怎么跳转全在这里。
• 数码管：图 42.4.7（模块框图）、图 42.4.8/42.4.9（波形图）。
• 拨码开关：图 42.4.10（框图）、图 42.4.11/42.4.12（波形）。
• 顶层：图 42.4.13（顶层信号连接）、图 42.4.14（顶层仿真波形）。
• 上板：图 42.5.1（硬件连接图）、图 42.5.2（最终效果图，数码管显示键值）。

初学者容易踩的坑

1. 列线同时全部拉低后直接译码：全列扫低只能判断"有键按下"，无法区分列。必须进入状态 1~4 逐列扫描才能定位。
2. 消抖判断条件写成"计数到 0"：书上 delay_cnt 计到 1 判定有效（初值 1000000），改代码时容易把边界条件弄错，导致按键偶发失灵。
3. 上拉没接：行线靠 3.3V 上拉保持高电平，若 FPGA 内部上拉没使能且外部也没上拉，行线悬空，扫描结果随机跳变。
4. 段码表背错极性：共阴是"1"点亮，如果照抄共阳的段码表（0=8'hc0）就全反了。本模块代码中的取反处理正是为了适配硬件。
5. 拨码开关读到的是反逻辑：闭合=低电平（因为接地），想判断"开关闭合"应判断 0 而不是 1。
6. 16 种键值组合漏写：case 译码要写全 16 项，漏写某项时按对应按键数码管毫无反应，排查时先数 case 分支数量。

小结 & 下一步

本章的三大件——矩阵键盘扫描状态机、段码译码、开关直连——是数字系统人机交互的基础件。矩阵键盘的"全扫粗判→逐列精扫→锁存释锁"三段式流程尤其值得背下来，以后做任何小键盘输入都能复用。

下一章把这些外设用起来做一个综合项目：交通灯。4 位数码管动态扫描倒计时、红绿灯状态机、黄灯闪烁，一个实验串起前面所有知识点。