《按键消抖与LED控制》实验的个⼈思考与总结
2019/01/08，第⼀个判断是否有按键按下的操作好像有问题，有空在修改！
红⾊为修改部分：
问题描述：
当三个独⽴按键的某⼀个被按下后，相应的LED被点亮；再次按下后，LED熄灭，按键控制LED亮灭
下⾯是LED灯的原理图：
可见，LED是低电平亮，⾼电平灭。
事实上，控制LED等的亮灭很简单，不是问题，对应的代码段如下：
reg d1;
reg d2;
reg d3;
always @ (podge clk or negedge rst_n)
if (!rst_n) begin
d1 <= 1'b0;
d2 <= 1'b0;
d3 <= 1'b0;
end
el begin //某个按键值变化时，LED将做亮灭翻转
if ( led_ctrl[0] ) d1 <= ~d1;
if ( led_ctrl[1] ) d2 <= ~d2;
if ( led_ctrl[2] ) d3 <= ~d3;
end
assign led_d3 = d1 ? 1'b1 : 1'b0; //LED翻转输出
assign led_d2 = d2 ? 1'b1 : 1'b0;
assign led_d1 = d3 ? 1'b1 : 1'b0;
我来做出解释：
⾸先，系统复位时候，先把寄存器变量d1、d2、d3清零，由下⾯这三天语句可知，这三个寄存器变量清零后，对应的led灯就是低电平，也就是亮。
assign led_d3 = d1 ? 1'b1 : 1'b0; //LED翻转输出
assign led_d2 = d2 ? 1'b1 : 1'b0;
assign led_d1 = d3 ? 1'b1 : 1'b0;
然后如果某个按键按下，对应的led_ctrl[?]就会变成⾼电平，此时对应的d？就会翻转电平值，也就是说原来led？是低电平，按键按下后，d？就会翻转为⾼电平，此时，对应的led灯⾃然也会由亮变灭了。继续按下按键，led的亮灭⼜会翻转。
（这些分析都是本⼈通过代码以及实验结果证明的，确实如此。）
不得不说，如果仅仅是上⾯的分析那么简单，就省事了，同时这个实验也没啥意思了。
事实的情况我根据理解做如下的描述：
按键按下时候，按键值有⼀段时间的低电平，我们必须在低电平这段时间内的某⼀个瞬间采样按键值来控制led灯的亮灭。
可能不能采样对是⼀个值得研究的问题。
先给出按键的⼤概电路图；
对这个电路图的⼀些解释：
独⽴按键⼀般有2组管脚，这2组管脚在按键未被按下时是断开的，在按键被按下时则是导通的。
基于此原理，我们⼀般会把按键的⼀个管脚接地，另⼀个管脚上拉到VCC，并且也连接到GPIO。这样，在按键未被按下时，GPIO的连接状态为上拉到VCC，则键值为1；按键被按下时，GPIO虽然还是上拉到VCC，但同时被导通的另⼀个管脚拉到地了，所以它的键值实际上是0。
再给出按键的波形图：
如下图是按键按下时候的波形图，⼀个是理想情况下的波形，另⼀个是事实情况的模拟图：
可见，按下以及释放的瞬间都有⼀个抖动。
在按键按下或者释放的时候都会出现⼀个不稳定的抖动时间，如果不处理好这个抖动时间，我们就⽆法正确采集到正确有效的按键值，所以我们的设计中必须有效消除按键抖动。
好了，按键消抖的问题摆在⾯前了，我们怎么来消除抖动呢？这是⼀个有意思的问题。
看了⽹上好多解释，通过画图来解释这个消除抖动的原理，可是总是越看越糊涂，感觉这种不伦不类的图已经对我的理解产⽣⼀些误导了，于是找到了特权同学的视频看了⼀遍，说实话，看的似乎明⽩了，但是不是太清晰，学习这东西必须花时间，⾃⼰动⼿动脑分析才能够理清楚。
我就通过分析代码的⽅式来理解这个消抖的过程。
`timescale 1ns / 1ps
//说明：当三个独⽴按键的某⼀个被按下后，相应的LED被点亮；
// 再次按下后，LED熄灭，按键控制LED亮灭
module sw_debounce(
clk,rst_n,
sw1_n,sw2_n,sw3_n,
led_d1,led_d2,led_d3
);
input clk; //主时钟信号，25MHz
input rst_n; //复位信号，低有效
input sw1_n,sw2_n,sw3_n; //三个独⽴按键，低表⽰按下
output led_d1,led_d2,led_d3; //发光⼆极管，分别由按键控制
//---------------------------------------------------------------------------
reg key_rst;
always @(podge clk or negedge rst_n)
if (!rst_n) key_rst <= 1'b1;
el key_rst <= sw3_n&sw2_n&sw1_n;
reg key_rst_r; //每个时钟周期的上升沿将low_sw信号锁存到low_sw_r中
always @ ( podge clk or negedge rst_n )
if (!rst_n) key_rst_r <= 1'b1;
el key_rst_r <= key_rst;
//当寄存器key_rst由1变为0时，led_an的值变为⾼，维持⼀个时钟周期
wire key_an = key_rst_r & (~key_rst);
/*
key_rst 1 1 1 0 0 1
~key_rst 0 0 0 1 1 0
key_rst_r 1 1 1 0 0 1
key_an 0 0 1 0 0
*/
//---------------------------------------------------------------------------
reg[19:0] cnt; //计数寄存器
always @ (podge clk or negedge rst_n)
if (!rst_n) cnt <= 20'd0; //异步复位
el if(key_an) cnt <=20'd0;
el cnt <= cnt + 1'b1;
reg[2:0] low_sw;
always @(podge clk or negedge rst_n)
if (!rst_n) low_sw <= 3'b111;
el if (cnt == 20'hfffff) //满20ms，将按键值锁存到寄存器low_sw中 cnt == 20'hfffff
low_sw <= {sw3_n,sw2_n,sw1_n};
//---------------------------------------------------------------------------
reg [2:0] low_sw_r; //每个时钟周期的上升沿将low_sw信号锁存到low_sw_r中
always @ ( podge clk or negedge rst_n )
if (!rst_n) low_sw_r <= 3'b111;
el low_sw_r <= low_sw;
/*
low_sw 111 111 111 110 110 110
~low_sw 000 000 000 001 001 001
low_sw_r 111 111 111 110 110 110
led_ctrl 000 000 000 001 000 000
*/
//当寄存器low_sw由1变为0时，led_ctrl的值变为⾼，维持⼀个时钟周期
wire[2:0] led_ctrl = low_sw_r[2:0] & ( ~low_sw[2:0]);
reg d1;
reg d2;
reg d3;
always @ (podge clk or negedge rst_n)
if (!rst_n) begin
d1 <= 1'b0;
d2 <= 1'b0;
d3 <= 1'b0;
end
el begin //某个按键值变化时，LED将做亮灭翻转
if ( led_ctrl[0] ) d1 <= ~d1;
if ( led_ctrl[1] ) d2 <= ~d2;
if ( led_ctrl[2] ) d3 <= ~d3;
end
assign led_d3 = d1 ? 1'b1 : 1'b0; //LED翻转输出
assign led_d2 = d2 ? 1'b1 : 1'b0;
assign led_d1 = d3 ? 1'b1 : 1'b0;
endmodule
⾸先点名输⼊输出：
input clk; //主时钟信号，25MHz
input rst_n; //复位信号，低有效
input sw1_n,sw2_n,sw3_n; //三个独⽴按键，低表⽰按下
output led_d1,led_d2,led_d3; //发光⼆极管，分别由按键控制
这⾥需要提出⼀点的是，输⼊输出在开头都声明好，⾄于中间需要⽤到的⼀些⽹线变量（wire）以及寄存器变量（reg），我们在⽤到的位置声明，不失为⼀种便于理解的代码格式。
reg key_rst;
always @(podge clk or negedge rst_n)
if (!rst_n) key_rst <= 1'b1;
el key_rst <= sw3_n&sw2_n&sw1_n;
reg key_rst_r; //每个时钟周期的上升沿将key_rst信号锁存到key_rst_r中
always @ ( podge clk or negedge rst_n )
if (!rst_n) key_rst_r <= 1'b1;
el key_rst_r <= key_rst;
//当寄存器key_rst由1变为0时，led_an的值变为⾼，维持⼀个时钟周期
wire key_an = key_rst_r & (~key_rst);
/*
key_rst 1 1 1 0 0 1
~key_rst 0 0 0 1 1 0
key_rst_r 1 1 1 0 0 1
key_an 0 0 1 0 0
*/
//---------------------------------------------------------------------------
这⾥定义了⼀个1位的寄存器变量（key_rst），⽤来存放三个按键状态值的与值，由于按键值在没有按下的时候，就是拉⾼的状态，所以当复位信号有效时，就把key_rst赋值为1，也就是每⼀位都是⾼电平。
没有复位的时候，就在每个时钟的上升沿到来时，把三个按键值的与状态赋值给key_rst；
这两句的解释对应的代码为：
reg key_rst;
always @(podge clk or negedge rst_n)
if (!rst_n) key_rst <= 1'b1;
el key_rst <= sw3_n&sw2_n&sw1_n};
紧接着，我们讲下⾯这⼀⼩块代码：
reg key_rst_r;
always @ ( podge clk or negedge rst_n )
if (!rst_n) key_rst_r <= 1'b1;
el key_rst_r <= key_rst;
⼜定义了⼀个1位的寄存器变量key_rst_r，这个寄存器变量在复位信号有效时，也都赋值为1；
否则，在每个时钟上升沿都会将key_rst的值赋值给key_rst_r；
这就意味这什么呢？
意味着这两个变量之间增加了⼀个触发器或寄存器，key_rst_r延时⼀拍（延迟了⼀个时钟周期）。
也就是相当于：
key_rst 1 1 1 0 0 1
key_rst_r 1 1 1 0 0 1
