FPGA按键消抖程序剖析
对于学习 FPGA 的爱好者来说 ， 在我们做的许许多多的系统和项目中都会用到
按键 ， 但是在我们所涉及的按键输入的数据 ， 是不能够直接利用的，而是要经过消
抖，唉，为了初级菜鸟，说简单点吧 ， 什么叫消抖？消抖说白点就是消除抖动引起的
按键不确定性！如果不消抖处理的话，就会按一次可能将相当于按几次出现的结果。相
信玩过单片机的人都清楚 ， 我们在读出按键的时候都会用到一个程序：
If(!key)
{
Delay(x);
If(!key)
{...}
}
这个程序在此就不再延伸解释 ， 我所要说的是 ， 在 FPGA 里面按键的消抖与单片
机的消抖原理都是一样的！或许大家都自己写过或者在网上找到过许多消抖的程序 ， 但是
我所接触的当中 ， 我觉得特权前辈所写的那个是最为经典的 ， 一下就是我盗版特权前辈
的一个程序：
module keyscan_module (
input clk, // 外部输入时钟，我选择 50M
input reset, // 复位 ， 但是在此不建议使用此种复位
// 形式，建议用异步复位同步释放
input key_in, // 按键输入（ 1bit ）
output key_ready); // 按键值输出
/*********************************************/
reg key1,key2; 定义两个寄存器变量
wire key_en; 定义一个线性变量
always @ ( posedge clk or negedge reset)
if ( !reset )
begin
key1 <= 1'b1;
key2 <= 1'b1;
end
else
begin
key1 <= key_in; // 学习过非阻塞式语句的同志，应该不能理解这里
// 第一个时钟读取按键进入第一个寄存器 ， 第二个时钟
key2 <= key1; 将第一个寄存器中的值赋给第二个寄存器
end
assign key_en = key2 & ( ~key1 ); // 当检测到下降沿的时候， key_en 保持一个时钟的高
电平
/**********************************************/
reg[19:0] cnt; 定义一个计数器
always @ ( posedge clk or negedge reset )
if ( !reset )cnt <= 20'd0;
else if ( key_en ) cnt <= 20'd0; else cnt <= cnt + 1'b1;
/********************************************/
reg key3,key4;
always @ ( posedge clk or negedge reset )
if ( !reset ) key3 <= 1'b1;
else if ( cnt == 20'hfffff) // 当计数到 20ms 的时候
key3 <= key_in;
always @ (posedge clk or negedge reset) // 下一个时钟把 key3 的按键值赋给 key4
if(!reset)key4 <= 1'b1;
else key4 <= key3;assign key_ready = key4 & ( ~key3); // 当有按键按下时 ， 输出有效 ， 保
持一个时钟周期 ；
endmodule
下面我们来好好研究下这个程序：
整个程序的基本思路是这样的 ： 系统上电后 ， 计数器就开始计数 ，
（注意啊 ， 不管有没有按键按下都在计数 ， 每次计数 20MS ） 于此同
时，系统也在不断采集 key_in 的电平，假设在一个时钟上升沿的时
候，检测到 key_in 为高电平 ， （那么 key1<=1,key2<=1 ）在下一个时
钟上升沿的时候检测到低电平 (key1<=0;key2<=1) 那么执行这个语句
assign key_en = key2 & ( ~key1 ) 那么 key_en 就会得到一个高电
平 ， 当第三个时钟上升沿的时候 （ key1<=0,key2<=0 ） 由此可知 ， key_e n
只保持一个时钟周期的高电平 ， 而且仅是当检测到有下降沿的时候才
会变为高电平 。 说到计数器 ， 前面也说了 ， 上电之后计数器就一直在
计数，当时当 key_en 为高电平的时候，计数清零，也就是说，当前
面检测到下降沿之后就重新开始计数，
else if ( key_en ) cnt <= 20'd0;
else cnt <= cnt + 1'b1;
然后到这个程序
else if ( cnt == 20'hfffff) // 当计数到 20ms 的时候
key3 <= key_in;
这个程序的作用是计数到了 20ms 之后再一次读取 key_in 的值 ，
换句话说，就是从前面检测到下降沿之后， 20ms 后再去检测！我们
都知道，抖动所产生的毛刺都是在 us 级别的，哎呀，再怎么大也大
不过 20ms 的，而我们按按键的话那肯定就不止 20ms 啦，再怎么快也要 500ms 以上吧！
再结合下段程序：
always @ (posedge clk or negedge reset) // 下一个时钟把 key3 的按
键值赋给 key4
if(!reset)key4 <= 1'b1;
else key4 <= key3;
assign key_ready = key4 & ( ~key3); //
假设第一次检测到的下降沿是由于抖动产生的毛刺 ， 那么 20M S
后 ， 过 滤 掉 毛 刺 ， 检 测 到 的 应 该 是 一 个 高 电 平
（ key3<=1,key4<=1,key_ready=0 ） , 假如前面检测到的下降沿不是由于
毛刺，而是按键按下的，那么 20MS 后， key_in 肯定还会是低电平 ，
所以 （ key3<=0,key4<=1,key_ready=1 ） , 而在 20MS 之后的下一个时钟 （ key3<=0,key4<=0, 那么 key_ready=0 ） key_read 只保持一个时钟周期的时间！
为什么这个消抖程序被列为经典呢？大家神人研究后不妨从
时序和资源方面去考虑一下，昨天我在一本黑金的教程上面弄了一
个，一个按键就消耗 80 多个 lut ，而这个只要 30 个，试想一下， 做
16 个按键都上千呢，那其他模块怎么办？还有我觉得很好的一点就
是它的输出 （ key_ready ） 只保持一个时钟周期 ， 有利于上层模块采集 ！
哎呀 ， 没有对比 ， 看不出差距 ， 以下是我们老师教我写的一个消抖程
序：他的思路是：把系统时钟（ 50M ）分频 100K （ 10ms ）后再去读
取按键值
Always @ (posedge clk_100K or negedge reset)
If(!reset)begin key1<=1;key2<=1; end
Else begin key1<=key_in;key2<=key1;end
Assign key_ready=key2 & !key1;
大家看一下这个程序 ， 原理和特权的那个差不多 ， 看似更加简单 ，
的确，这个程序可以消抖，但是存在一个问题，就是 key_ready 也会
保持 10MS 的一个高电平 ， 有些人会问 ， 高电平持续就一点不是方便
上层采集吗？其实不然 ， 举个例子 ： 我们用一个按键 ， 控制一个二极
管，按一下亮，再按一下灭，程序大概这样：Always @ (posedge clk or negedge )
.........................................( 省略 )
If(key_ready) led<=~led
我们使用的系统时钟是很高的，假如 key_ready 保持不是一个时
钟周期 ， 而是 10ms, 那么我们按一次 ， led 就会一亮一灭很多次 ！ 碰到
这种情况，一般要用组合逻辑解决，比如
Always @ (key_read or negedge)
...................
If(key_reaf)......
这样也可以实现按一次变化一次 ， 但是大家都知道 ， 组合逻辑往
往会给我们带来许多时序上的问题，能用同步就同步 ! 在此也特别提
醒诸位，在 if(x) 判断电平的时候多考虑一下，免得出错！
对于消抖程序忠告如下
reg [3:0]key1_reg;
reg [3:0]key2_reg;
always @(posedge clk,negedge rest)begin
if(!rest)begin
key1_reg<=4'b1111;
key2_reg<=4’b1111;
end
else if(counter==5'hfffff)begin
key1_reg<=key;
key2_reg<=key1_reg
end
assign key_ctr=key2_reg&(~key1_reg);
这段程序，20ms后采样 key的值给 key1_reg,而 key2_reg值为 key1_reg前一时刻的值，有按键按下时 key_ctr 为 1，可是程序中 key2_reg 值 20ms 才刷新一次，如果在做我们用一个按
键 ， 控制一个二极
管，按一下亮，再按一下灭，程序大概这样：Always @ (posedge clk or negedge )
.........................................( 省略 )
If(key_ready) led<=~led
这段 20ms 时间内每一晶振脉冲下 led 都翻转，这样灯就一闪一闪，不能达到要求，而我们
程序改成这样：
reg [3:0]key1_reg;
reg [3:0]key2_reg;
always @(posedge clk,negedge rest)begin
if(!rest)
key1_reg<=4'b1111;
else if(counter==5'hfffff)
key1_reg<=key;
end
always @(posedge clk,negedge rest)begin
if(!rest)
key2_reg<=4'b1111;
else
key2_reg<=key1_reg;
end
assign key_ctr=key2_reg&(~key1_reg);
Always @ (posedge clk or negedge rest )
.........................................( 省略 )
If(key_ready) led<=~led；
这样 led 就只是翻转一次才能达到控制效果。
