实验 07：拨码开关控制 LED

🛒 开发板: EK301 GW5A FPGA 开发板 芯片: GW5A-LV25UG324C1/I0 (Arora V 系列)

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一、实验目的

1. 掌握拨码开关作为 FPGA 输入信号的使用方法，包括两级同步消除亚稳态。
2. 理解多模式切换的设计思路——用按键在多种输出模式之间轮转。
3. 学会复用已有模块（key_debounce）实现按键消抖，降低开发复杂度。
4. 掌握滑动开关的 CST 约束写法（PULL_MODE=DOWN、IO_TYPE=LVCMOS33）。

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二、实验过程

2.1 硬件连接

信号	方向	FPGA 引脚	Bank	说明
CLK	输入	T9	Bank 4	50MHz 有源晶振
SW1~SW8	输入	F10/F9/A15/B14/A14/A13/A12/B11	Bank 0/1	滑动开关，默认下拉(ON=1)
KEY1	输入	C10	Bank 1	轻触按键，模式切换
LED1~7	输出	G9/E7/E6/A5/A4/B4/A3/C5	Bank 0/1	蓝色LED

2.2 拨码开关原理

EK301 板载 8 路滑动开关（SW1SW8，丝印 K1K8），通过 10KΩ 下拉电阻到 GND。当开关拨到 ON 位置时，引脚接 VCC(3.3V)，FPGA 读入高电平；OFF 时引脚被下拉到 GND，读入低电平。

与轻触按键的区别：

特性	轻触按键(KEY1~3)	滑动开关(K1~K8)
操作方式	瞬时按下	拨动保持
默认电平	上拉(高)	下拉(低)
有抖动？	是(5-20ms)	否(静态电平)
需消抖？	是	仅需两级同步

⚠️ 开关虽然没有机械抖动，但仍是异步输入信号，必须经过两级同步器消除亚稳态。

2.3 设计思路

本实验实现 3 种开关→LED 映射模式：

模式	编号	LED 行为	说明
A	0	led = sw	直接映射：开关 ON → LED 亮
B	1	led = ~sw	取反映射：开关 ON → LED 灭
C	2	led = sw	编码显示模式（当前同直接映射，预留扩展）

KEY1 每按一次，mode 在 0→1→2→0 之间循环切换。KEY1 经过 key_debounce 模块消抖（20ms），确保一次按键只触发一次模式切换。

2.4 模块设计

系统框图：

top.v (switch_led)
  ├─ key_debounce.v     ← KEY1 消抖（复用 exp_06）
  ├─ 两级同步器(sw)     ← 消除开关亚稳态
  ├─ 模式状态机(mode)   ← 3 种模式轮转
  └─ LED 输出逻辑       ← case(mode) 选择映射

模块名：switch_led

端口列表：

端口	方向	位宽	说明
clk	input	1	50MHz 系统时钟
sw	input	[7:0]	8 路滑动开关 (ON=1)
key0	input	1	模式切换按键 (按下=0)
led	output	[7:0]	8 路 LED 输出 (高亮)

内部信号：

信号	位宽	说明
sw_sync1, sw_sync2	[7:0]	两级同步寄存器
key0_press	1	消抖后的按键脉冲
mode	[1:0]	当前模式 (0-2)

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三、代码逐段讲解

3.1 开关两级同步

reg [7:0] sw_sync1, sw_sync2;
always @(posedge clk) begin
    sw_sync1 <= sw;
    sw_sync2 <= sw_sync1;
end

• 异步输入 sw → 第一级 sw_sync1 → 第二级 sw_sync2。
• 两级同步后，sw_sync2 的亚稳态概率极低（MTBF > 数百年）。
• 虽然开关是静态电平，但上电瞬间和拨动瞬间仍可能产生亚稳态，两级同步是最低成本的防护。

3.2 按键消抖例化

wire key0_press;
key_debounce #(.MS(20)) u_key0 (.clk(clk), .key_in(key0), .pressed(key0_press));

• key0 是异步输入，使用 key_debounce 模块完成：两级同步 → 下降沿检测 → 20ms 延时确认。
• key0_press 是单周期脉冲，仅在确认按键按下时持续 1 个时钟周期。
• #(.MS(20)) 参数化消抖时间，可根据需要调整。

3.3 模式切换状态机

reg [1:0] mode;

always @(posedge clk) begin
    if (key0_press) begin
        if (mode == 2) mode <= 0;
        else           mode <= mode + 1;
    end
end

• mode 是 2-bit 寄存器，取值为 0/1/2。
• 每收到 key0_press 脉冲，mode 加 1。
• mode==2 时置 0，实现 0→1→2→0 循环。
• 如果改为 mode <= mode + 1（利用 2-bit 自动溢出），则 0→1→2→3→0，模式 3 对应 default 分支。

3.4 LED 输出逻辑

always @(posedge clk) begin
    case (mode)
        2'd0: led <= sw_sync2;     // A: 直接映射
        2'd1: led <= ~sw_sync2;    // B: 取反映射
        2'd2: led <= sw_sync2;     // C: 编码模式
        default: led <= sw_sync2;
    endcase
end

• 使用 sw_sync2（两级同步后的稳定值）而非原始 sw。
• 模式 A：开关 ON → sw=1 → led=1 → LED 亮。
• 模式 B：开关 ON → sw=1 → led=0 → LED 灭（逻辑取反）。
• default 分支保证综合器不会推断出锁存器。

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四、实验现象

操作	模式	LED 现象
上电	A(0)	拨动 K1K8，对应 LED17 同步亮灭
按 KEY1 一次	B(1)	拨动 K1~K8，对应 LED 取反：ON→灭，OFF→亮
按 KEY1 两次	C(2)	同模式 A（编码显示，预留后续扩展）
按 KEY1 三次	A(0)	回到直接映射模式

验证要点：

• ✅ 模式 A：全部 8 个开关独立控制 8 个 LED，互不干扰。
• ✅ 模式 B：开关全部 ON 时 LED 全灭，全部 OFF 时 LED 全亮。
• ✅ 模式切换时 LED 立即响应，无延迟无闪烁。
• ✅ 按住 KEY1 不放，仅触发一次模式切换（消抖生效）。
• ✅ 快速拨动开关，LED 响应跟随无异常（两级同步生效）。

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五、掌握知识点

知识点	说明	在本实验中的体现
拨码开关	静态电平输入，ON=高/OFF=低	8 路滑动开关直接映射 LED
两级同步器	sync1→sync2 消除异步输入亚稳态	sw_sync1、sw_sync2
模块复用	例化已有模块减少重复代码	复用 key_debounce 消抖
多模式设计	case(mode) + 按键轮转	3 种模式循环切换
PULL_MODE	约束文件中设置内部弱上下拉	开关用 DOWN，按键用 UP
取反逻辑	~ 运算符翻转全部 8 位	模式 B 的 led <= ~sw_sync2

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附录：源码

top.v

// =============================================================================
// EK301 实验05: 拨码开关+按键控制LED
// 芯片: GW5A-LV25UG324C1/I0  |  时钟: 50MHz (T9)
// SW1~SW8 控制 LED, KEY1 切换 3 种模式 (自写消抖)
// =============================================================================

module switch_led (
    input  wire       clk,          // 50MHz (T9)
    input  wire [7:0] sw,           // SW1~SW8 (ON=1)
    input  wire       key0,         // KEY1 (模式切换, 按下=0)
    output reg  [7:0] led           // LED1~LED8
);

// ---- 两级同步 ----
reg [1:0] key_sync;
always @(posedge clk) key_sync <= {key_sync[0], key0};

// ---- 简单消抖: 连续20ms为低才算按下 ----
localparam DEBOUNCE_MS = 20;
localparam CNT_MAX = (50_000_000 * DEBOUNCE_MS / 1000) - 1;  // 999_999

reg [19:0] cnt;
reg        key_stable;   // 消抖后的稳定值
reg        key_prev;     // 上一拍值, 用于边沿检测

always @(posedge clk) begin
    if (key_sync[1] != key_stable) begin
        // 当前值与稳定值不同, 开始计数
        if (cnt == CNT_MAX) begin
            key_stable <= key_sync[1];  // 确认变化
            cnt <= 0;
        end else begin
            cnt <= cnt + 1;
        end
    end else begin
        cnt <= 0;  // 相同则清零
    end
    key_prev <= key_stable;
end

// ---- 检测下降沿 (按下) ----
wire key_press = key_prev && !key_stable;

// ---- 两级同步 (开关) ----
reg [7:0] sw_sync1, sw_sync2;
always @(posedge clk) begin
    sw_sync1 <= sw;
    sw_sync2 <= sw_sync1;
end

// ---- 模式切换 ----
reg [1:0] mode;  // 0=直接, 1=取反, 2=编码

always @(posedge clk) begin
    if (key_press) begin
        if (mode == 2) mode <= 0;
        else           mode <= mode + 1;
    end
end

// ---- LED 输出 ----
always @(posedge clk) begin
    case (mode)
        2'd0: led <= sw_sync2;
        2'd1: led <= ~sw_sync2;
        2'd2: led <= sw_sync2;
        default: led <= sw_sync2;
    endcase
end

endmodule

key_debounce.v

key_debounce.v

// =============================================================================
// EK301 按键消抖模块 (自写简化版, 已验证可用)
// 功能: 信号连续20ms稳定才确认变化, 输出key_flag(脉冲)+key_state(1=释放/0=按下)
// =============================================================================

module key_debounce #(
    parameter MS = 20    // 消抖时间(ms)
)(
    input  wire clk,
    input  wire reset_n,     // 低有效复位 (可接1'b1)
    input  wire key_in,      // 按键输入 (按下=0)
    output reg  key_flag,    // 边沿脉冲 (按下/释放均有)
    output reg  key_state    // 1=释放, 0=按下
);

localparam CNT_MAX = (50_000_000 * MS / 1000) - 1;

// ---- 两级同步 ----
reg [1:0] sync;
always @(posedge clk) sync <= {sync[0], key_in};

// ---- 消抖: 连续CNT_MAX周期值相同才确认 ----
reg [19:0] cnt;
reg        stable;      // 消抖后的稳定值

always @(posedge clk) begin
    if (sync[1] != stable) begin
        if (cnt == CNT_MAX) begin
            stable <= sync[1];
            cnt <= 0;
        end else begin
            cnt <= cnt + 1;
        end
    end else begin
        cnt <= 0;
    end
end

// ---- 边沿检测 + 状态输出 ----
reg stable_prev;
always @(posedge clk) stable_prev <= stable;

always @(posedge clk) begin
    // key_flag: stable变化时产生一个周期脉冲
    key_flag  <= (stable != stable_prev);
    // key_state: 与key_in同相 (按下=0, 释放=1)
    key_state <= stable;
end

endmodule