从简单的按键消抖开始
笔者正在接受FPGA的线上培训，以接近尾声，就水平来说算是入门。设计时发现做些设计总结非常重要，可以帮助自己理清思路，同时也能得到很好的复习，便于日后回顾。之前一直在做altera FPGA的相关学习，对xilinx还不是很熟悉，借着这个契机，将比较基础常用的设计在VIVADO开发环境中过一遍，对我来说是个不错的选择。废话不多说，进入今天的正题。
众所周知，硬件按键都存在机械抖动。所以一次人为按下的动作会触发数次按键按下的行为。所谓“按键消抖”模块的功能就是将抖动滤除掉，保证对按键状态的有效识别。单片机的设计思想比较通用，即检测到按键连接端口为低电平（低电平有效）后，延迟一段时间再次确认是否为低。若是则说明此次低电平确实为一次按键行为，否则视为抖动。按键松手检测同理。其大体设计流程如下：
这是典型的顺序设计思想，但FPGA是并行的。所以这种时间有先后，且操作差异较大的处理过程要用到状态机进行设计。简化后可将上述过程分为四个状态：初始空闲状态、延迟并检测低电平状态、检测释放状态和延迟并检测高电平状态。以下是状态转移图：
空闲状态下如检测到按键接口低电平进入延迟并确认低电平状态，延迟计数时间设定为10ms。若计数完成且依然为低电平则按下有效进入检测释放状态，若计数期间按键出现高电平说明为抖动回到初始状态。在检测释放状态中若出现高电平进入延迟确认状态，否则持续检测高电平。在延迟确认高电平状态若计数完成且为高电平视为有效松手行为，此时置位有效标志位，按键完成了一次按下到松手的完整有效过程回到IDLE状态再检测下一次按下。如果计数期间出现低电平同样为抖动回到检测释放状态重新检测。
1 `timescale 1ns / 1ps 2 3 module key_jitter# 4 ( 5 parameter DELAY_TIME = 2000_000 //延迟10ms 6 ) 7 ( 8 input clk, 9 input rst_n, 10 11 input key_i, 12 output reg led_o 13 ); 14 15 localparam IDLE = 4'b0001, 16 DELAY_LOW = 4'b0010, 17 CHECK_RELEASE = 4'b0100, 18 DELAY_HIGH = 4'b1000; 19 20 reg [20:0] div_cnt; 21 reg [3:0] state_c,state_n; 22 reg key_tmp0,key_tmp1; 23 24 wire add_cnt,end_cnt; 25 wire vld_flag; 26 wire cnt_during; 27 28 //消除亚稳态 29 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 30 if(!rst_n)begin 31 key_tmp0 <= 0; 32 key_tmp1 <= 0; 33 end 34 else begin 35 key_tmp0 <= key_i; 36 key_tmp1 <= key_tmp0; 37 end 38 end 39 40 //状态机 41 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 42 if(!rst_n) 43 state_c <= IDLE; 44 else 45 state_c <= state_n; 46 end 47 48 always@(*)begin 49 case(state_c) 50 IDLE:begin //初始状态检测是否有按键按下 //4'b0001 51 if(key_tmp1 == 0)//有按键按下进入延时后再次确认低电平状态 52 state_n <= DELAY_LOW; 53 else 54 state_n <= state_c; 55 end 56 57 DELAY_LOW:begin //延时并再次确认低电平状态 //4'b0010 58 if(end_cnt && key_tmp1 == 0)//10ms后依然是低电平则有按键按下，此时检测是否松手 59 state_n <= CHECK_RELEASE; 60 else if(cnt_during && key_tmp1 == 1) 61 state_n <= IDLE;//若未计数完成出现高电平则视为抖动，重新检测按下 62 else 63 state_n <= state_c;//计数未完成继续 64 end 65 66 CHECK_RELEASE:begin //4'b0100 67 if(key_tmp1 == 1)//为高电平则等待并再次确认 68 state_n <= DELAY_HIGH; 69 else 70 state_n <= state_c;//若没有高电平则持续检测 71 end 72 73 DELAY_HIGH:begin //4'b1000 74 if(vld_flag)//10ms后依然高电平则按键释放 75 state_n <= IDLE;//释放后回到初始状态再次检测下一次的按下 76 else if(cnt_during && key_tmp1 == 0)//若延时后为0则松手过程视为抖动 77 state_n <= CHECK_RELEASE; 78 else 79 state_n <= state_c;//继续计数 80 end 81 82 default: 83 state_n <= IDLE; 84 endcase 85 end 86 87 assign cnt_during = add_cnt && div_cnt < DELAY_TIME; 88 89 //延迟计数器 90 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 91 if(!rst_n) 92 div_cnt <= 0; 93 else if(add_cnt)begin 94 if(end_cnt) 95 div_cnt <= 0; 96 else 97 div_cnt <= div_cnt + 1'b1; 98 end 99 else 100 div_cnt <= 0; 101 end 102 103 assign add_cnt = state_c == DELAY_HIGH || state_c == DELAY_LOW; 104 assign end_cnt = add_cnt && div_cnt == DELAY_TIME - 1; 105 //按下一次并释放后表示一次有效的操作，此时led翻转 106 always@(posedge clk or negedge rst_n)begin 107 if(!rst_n) 108 led_o <= 0;//上电复位点亮 109 else if(state_c == DELAY_HIGH && vld_flag)//可将（）内条件作为按键有效输出 110 led_o <= ~led_o; 111 end 112 113 114 assign vld_flag = end_cnt && key_tmp1 == 1; 115 116 endmodule
需要注意的知识点是状态机的设计技巧和参数设定。采用三段式状态机设计：一个always块用同步时序方式描述状态转移，另一个模块采用组合逻辑判断状态转移条件，最后给每一个状态输出分配一个时序逻辑块。其优势在于它将同步时序和组合逻辑分别放到不同的always 程序块中实现。这样做的好处不仅仅是便于阅读、理解、维护，更重要的是利于综合器优化代码，利于用户添加合适的时序约束条件，利于布局布线器实现设计。同时采用时序逻辑输出消除了“毛刺”现象，提高设计稳定性。
另外，参数化设计帮助提高代码可读性和灵活性。verilog中经常使用parameter 和localparam两个关键字定义参数，两者之间有一定的区别：parameter可用作在顶层模块中例化底层模块时传递参数的接口，localparam的作用域仅仅限于当前module，不能作为参数传递的接口。所以这里将延迟时间设定为可传递参数接口，便于顶层模块修改。而状态参数不能改动，只使其作用于当前模块。
在FPGA设计中，仿真环节必不可少，甚至占用设计周期的大半，极大提高开发效率，让问题尽量在设计前期解决。现在编写测试激励，用modelsim仿真观察按键消抖模块是否完成预期功能。
1 `timescale 1ns / 1ps
2
3 module key_jitter_tb();
4
5 // reg sys_clk_n,sys_clk_p;
6 reg clk;
7 reg rst_n;
8 reg key_i;
9 reg [15:0] myrand;
10
11 wire led_o;
12
13 key_jitter key_jitter
14 (
15
16 .clk(clk),
17 .rst_n(rst_n),
18
19 .key_i(key_i),
20 .led_o(led_o)
21 );
22
23 defparam key_jitter.DELAY_TIME = 50000;//参数重定义 有效时间改为50us便于仿真
24 parameter RST_TIME = 2,
25 CYCLE = 5;
26
27 initial begin
28 clk = 0;
29 forever #(CYCLE /2) clk = ~clk;
30 end
31
32 initial begin
33 rst_n = 1;
34 #1;
35 rst_n = 0;
36 #(CYCLE * RST_TIME);
37 rst_n = 1;
38 end
39
40 initial begin
41 #1;
42 key_i = 1;//初始未按下
43 #(CYCLE * RST_TIME);
44 #(CYCLE * 10);
45 press_key;
46 #10_000;
47 press_key;
48 $stop;
49 end
50
51 task press_key;
52 begin
53 repeat(20)begin//模拟抖动过程
54 myrand = {$random}%50000;
55 #myrand key_i = ~key_i;
56 end
57 key_i = 0;
58 #300_000;
59 repeat(20)begin
60 myrand = {$random}%50000;
61 #myrand key_i = ~key_i;
62 end
63 key_i = 1;
64 #300_000;
65 end
66 endtask
67
68 endmodule 其中使用defparam实现参数重定义，让延迟时间缩短，可以在完成功能验证的前提下缩短仿真时间，提升开发效率。（仿真真的是慢！）在测试激励的编写中，task任务封装绝对是一项利器，可以非常方便地将某项功能封装后反复调用。测试文件中将按键按下释放以及中间的抖动过程作为一个task，在仿真过程中多次调用模拟多次按下释放的行为。通过观察输出波形即可得知功能是否正确。
在仿真之前，一定要设置好仿真工具、编译库等选项。注意：如果按下Run xx simulation之后一直卡在执行仿真过程中，说明代码中有错误。此时要检查tcl console和log日志文件查看仿真相关警告和错误提示并作出修改。
modelsim仿真波形：
可以看到两处红圈处为一次按下释放的有效动作，使led输出翻转。以上便是FPGA实现按键消抖模块的全部设计过程。由于设计比较简单，此处略去上板验证并在线调试的过程，在之后的设计中将给出此处的具体操作流程。这是笔者第一次撰写技术博文，希望大家给出宝贵建议，相互交流学习！