【连载】【FPGA黑金开发板】Verilog HDL那些事儿独立按键封装(十五)

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第五章：低级建模-封装（接口建模）

在这章开始，笔记不再讨论“低级建模”相关的基础了，在前几章笔记已经说过，“低级建模”为“后期准备”的影响力是可大可小。在这里我们先讨论这样一个话题：

一层高楼，我们必须从地基开始建起。第一楼的“地基”必须稳固，而且结构必须良好。不然的话，第二楼的建筑工作就有困难。

Verilog HDL 语言的建模就是这样一回事，早期的模块建模，我们只是针对每一个硬件资源，建立一个“基础”而已。这个“基础”虽然可以调用，但是却不是真正的完成品。

然而每一个“基础”的最后工程就是所谓的“封装”。

“封装”的定义可以是很多，但是笔者把它看为是“建模的最后工程”。我们知道每一个建筑物都需要地基，但是完成地基不代表完成建筑。

5.1 实验十四 - 独立按键封装

请回忆一下，在实验三和实验四是我们不是建立了“按键消抖”的功能模块。估计读者们在早期可能会误会“就这样简单？实验就完了？”。实验三和实验四就宛如“按键的地基”而已，因为“消抖功能”对按键来说是必须拥有的。但是在实验三和实验四却没有针对黑金开发板上的“按键资源”，执行所谓“竣工”意义上的建模。

在针对某一个硬件资源的封装之前，不同的硬件资源都有不同的考虑。如黑金开发板上的5个独立按键，如果我要为它们封装的话，我们必须考虑什么？

（一）按键的功能 - 按键按下消抖，按键按下产生高脉冲，按键释放消抖。

（二）按键的数目 - 5个按键资源。

然而实验四的debounce_module2.v符合如上的功能，那么我们只要基于该模块，执行5次的的实例化再组合以后，就会完成“针对黑金开发板的独立按键”封装工作。

上图是基于实验四 debounce_module2.v 经过5次实例化后，再以 key_interface.v 组合模块执行封装而成的“按键接口”。

key_interface.v

上面代码就是利用实验四的debounce_module2.v 多次实例化的结果。

 Key_In[4..0] 和 Key_Out[4..0] 位分配的如下。

按键资源	Key_In[4..0]	Key_Out[4..0]
↑上	Key_In[4]	Key_Out[4]
↓下	Key_In[3]	Key_Out[3]
←左	Key_In[2]	Key_Out[2]
→右	Key_In[1]	Key_Out[1]
·中	Key_In[0]	Key_Out[0]

实验十四演示：

实验十四演示，是利用5位按键分别去调制“可调PWM模块”。我们知道按键接口的作用，就是除了按键消抖以外，每当按下某一个按钮，某一个输出就是输出一个高脉冲。

在这个演示中，最陌生应该是 optional_pwm_module.v 这个模块吧。

“可调PWM模块”笔者在初期的笔记打算加入的，但是考虑到初期的问题，才延后到这里。PWM实验对于Verilog HDL 语言来说是一个经典的实验。那么什么是PWM，我们来简单认识一下：

1k频率：  T = 1 / f = 1 / 1k = 1ms    1/100 个PWM块 = 1ms / 100 = 10us  10 % PWM = 10 x 10us = 100 us  50 % PWM = 50 x 10us = 500 us  80 % PWM = 80 x 10us = 800 us

PWM信号在宏观上是拥有不同占空比比率的信号周期。从上图我们可以看到，假设我要求1k的频率方波信号，那么一个周期就是 1ms 。再假设我求得占空比的比率是可以从1~100%之间调节，那么我必须将一个周期的时间再分为 100 份，亦即 10us 一个PWM块。

上图中指示了3个不同占空比的PWM信号：

10% PWM信号，高电平保持时间 100us， 低电平保持时间 900us。

50% PWM信号，高电平保持时间 500us， 低电平保持时间 500us。

80% PWM信号，高电平保持时间 800us， 低电平保持时间 200us。

PWM信号在电流（电压）的调节上是非常方便的。一些简单的计算可以是如下：

假设某输出口的驱动能力是10mA，当仅有10% PWM 的情况下，驱动能力降落仅剩原有的10%能力，亦即 1mA。

在实验十四的演示中，利用optional_pwm_module.v 控制对 LED 发光亮度。然而不同的是，optional_pwm_module.v 虽然是1k的输出频率，但是PWM块分为256份（0~255），而不是典型的100份 PWM块。

T = 1 / f = 1 / 1k = 1ms

256份PWM块 = 1ms / 256 = 3.9us

如果以20Mhz的频率产生 3.9us的定时：

N = ( 3.9E-6 ) / ( 1 / 20 E+6 )

  = 78.125

  = 78

===================================================================

我们知道 key_interface.v的 Key_In[4..0] 和 Key_Out[4..0] 位分配是如下：

[4]Up(Button)  [3]Down(Button)  [2]Left(Button)  [1]Right(Button)  [0]Middle(Button)

我们以key_interface.v的位分配，针对optional_pwm_module.v 的PWM调节如下：

位分配	按键映射	optional_pwm_module.v 的调节功能
[4]	Up(Button)	PWM块 +10
[3]	Down(Button)	PWM块 -10
[2]	Left(Button)	PWM块 -1
[1]	Right(Button)	PWM块 +1
[0]	Middle(Button)	PWM块1/2

具体的内容，我们直接看源码。

optional_pwm_module.v

在源码第11行，定义了以20Mhz频率定时3.9us 的常量。15~23行是3.9us的定时器。

第27~35行是256块PWM的计数器。37~70行是该模块的核心功能：

当 Option_Key（亦即 key_interface.v Key_Out 的连线口）其中某一位产生高脉冲的时候，都会有各种的功能, 37~70行简略下，功能如下表：

key_interface.v Key_Out[4..0]	optional_pwm_module.v Option_Key[4..0]	按键映射	功能
[4]	[4]	Up	PWM块 +10
[3]	[3]	Down	PWM块 -10
[2]	[2]	Left	PWM块 -1
[1]	[1]	Right	PWM块 +1
[0]	[0]	Middle	PWM块 1/2

寄存器 Option_Seg 表示了可调节的PWM块。假设 Option_Seg 的值调节至 127, 已经是 127 / 255 也就是 50% PWM。

然而寄存器 System_Seg 是自动递增的 PWM块，每 3.9us 定时 System_Seg 就会自动递增（34~35行）。当 System_Seg 从0值递增至255值，这就表示 3.9us x 256 = 1ms ，亦即一个周期已经计数完毕。然后又从下一个周期开始计数。（32~33行）

假设我要产生 50 % PWM的信号，必然 Option_Seg 的值必须调制 127。然后再经72行表达式的关系，就会产生50%占空比的PWM信号，PWM产生过程如下：

当 System_Seg 计数器从 0 ~ 127 递增的时候，由于 72行的表达式 ( System_Seg < Option_Seg ) 的关系，在 System_Seg 计数器的值在 0~127之间，LED的输出都是高电平。当System_Seg 计数器的值递增超过 127之后，亦即 128~255 之间，LED的输出都是低电平。

左图是 72 行表达式的关系图，Option_Seg 可以看成是一个比对常量，当 System_Seg 小于 Option_Seg 常量值 LED的输出是高电平。当 System_Seg 的值超过Option_Seg的常量值，LED的输出就是低电平。

在这里我们稍微来讨论46~68行的功能。

当 Option_Key[4] 产生一个高脉冲，如果 Option_Seg 的值小于 245，那么 Option_Seg 的值就增加 10 。反之如果 Option_Seg 的值大于 245，Option_Seg 就直接赋予255。

当 Option_Key[3] 产生一个高脉冲，如果 Option_Seg 的值大于 9，那么 Option_Seg 的值就减少 10 。反之如果 Option_Seg 的值小于 9，Option_Seg 就直接赋予0。

当 Option_Key[2] 产生一个高脉冲，如果 Option_Seg 的值小于 255，那么 Option_Seg 的值就增加 1 。反之如果 Option_Seg 的值大于等于255，Option_Seg 就直接赋予255。

当 Option_Key[1] 产生一个高脉冲，如果 Option_Seg 的值大于 0，那么 Option_Seg 的值就减少 1 。反之如果 Option_Seg 的值小于等于 0，Option_Seg 就直接赋予0。

当 Option_Key[0] 产生一个高脉冲，Option_Seg 就直接赋予127。

exp14_demo.v

这个组合模块，也没有什么特别 ... 超级简单的。

实验十四演示说明：

这个演示主要是演示 key_interface.v 如何调用而已。然而 key_interface.v 调用的重点就是在于 Key_Out[4..0] 每个位的为分配。

完成扩展图：

key_interface.v

key_interface_demo.v

实验十四演示结论：

这个实验比较简单，主要是利用实验四的debounce_module2.v 然后针对5位的按键资源执行实例化成为 key_interface.v ，然后在 key_interface_demo.v 中调用。这章的实验，对于封装来讲，算是最简单的一种吧。前面我都说了，不同的封装都有不同的考虑。把这个实验当成暖身吧。