4x4 矩阵键盘接口设计
学习目标
- 了解矩阵键盘的扫描原理与消抖机制。
- 熟悉 AHB 从设备包装器与核心模块的分工。
- 完成键盘硬件逻辑中“留白”部分的练习，培养阅读与补全 RTL 代码的能力。
矩阵键盘扫描
- 在 lab4 中, 我们用 4 个按键分别对应 4 个中断. 但如果需要更多按键呢? 16 个按键就需要 16 个中断? 那 CPU 的中断资源很快就不够用了!
- 本实验我们设计一个矩阵键盘控制器, 16 个按键只占用 1 个中断, CPU 通过总线读取按键值.
矩阵键盘原理
为什么叫"矩阵"键盘?
看下面这张图就明白了:
COL[3] COL[2] COL[1] COL[0]
│ │ │ │
ROW[3] ────┼───────┼───────┼───────┼────
│ │ │ │
[F] [E] [D] [C]
│ │ │ │
ROW[2] ────┼───────┼───────┼───────┼────
│ │ │ │
[B] [A] [9] [8]
│ │ │ │
ROW[1] ────┼───────┼───────┼───────┼────
│ │ │ │
[7] [6] [5] [4]
│ │ │ │
ROW[0] ────┼───────┼───────┼───────┼────
│ │ │ │
[3] [2] [1] [0]
16 个按键排成 4 行 4 列, 只需要 8 根线 (4 行 + 4 列) 就能检测所有按键!
扫描原理
怎么知道哪个键被按下了呢? 我们用"逐行扫描"的方法:
- 让 ROW[0] = 0, 其他行 = 1
- 读取 COL[3:0], 如果某列为 0, 说明第 0 行该列的键被按下
- 让 ROW[1] = 0, 其他行 = 1
- 读取 COL[3:0], 如果某列为 0, 说明第 1 行该列的键被按下
- 以此类推...
按键消抖
为什么需要消抖?
机械按键在按下和释放的瞬间会产生抖动, 就像弹簧一样来回弹跳几次才稳定. 这个抖动时间大约 5-20ms. 如果不处理, 按一次键可能会被误认为按了好几次!
消抖的方法很简单: 连续检测到相同状态 N 次后, 才认为状态真的改变了.
硬件模块设计
矩阵键盘硬件代码组成
AHBlite_Keyboard.v
- 功能: 键盘模块的 AHB 接口包装器，负责与总线交互并提供寄存器映射。
Keyboard.v
- 功能: 键盘控制核心模块。
- 子模块:
keyboard_scan.v: 扫描 4x4 矩阵键盘，产生行扫描信号并读取列信号。keyboard_filter.v: 对按键信号进行消抖处理。keyboard_reg.v: 锁存按键状态，处理清除信号。
必读通知
在矩阵键盘设计部分，会沿用前四个实验中掌握的基础能力，希望同学们可以继续动手补全以下三个 Verilog 文件：
Keyboard.v- 任务: 实例化子模块。
- 说明: 需要在模块内部正确实例化
keyboard_scan和keyboard_filter模块，并连接相应的端口（如时钟、复位、行列信号及中间连线）。
keyboard_scan.v- 任务: 实现扫描时钟生成逻辑。
- 说明: 需要定义计数器和时钟寄存器，编写分频逻辑以产生用于键盘扫描的低频时钟（例如 10kHz）。
keyboard_filter.v- 任务: 实现按键消抖脉冲生成逻辑。
- 说明: 需要编写逻辑，当消抖计数器从非满状态变为满状态时，产生一个单周期的脉冲信号
key_pulse，用于确认按键按下。
软件部分
修改启动代码
我们需要修改 startup_CMSDK_CM0.s 启动文件，添加按键中断的支持。在本实验中，矩阵键盘模块通过产生中断信号来通知 CPU 读取按键值，因此必须在中断向量表中注册键盘相关的 IRQ 入口。
中断向量表的作用
中断向量表位于内存起始地址 (0x00000000)，存放了各个中断/异常的处理函数入口地址。当中断发生时，CPU 会根据中断号查找向量表，跳转到对应的处理函数执行。
第一步：修改中断向量表
打开 /keil/startup_CMSDK_CM0.s，找到 __Vectors 段，将原来的内容:
; filepath: startup_CMSDK_CM0.s (修改前)
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD 0 ; NMI Handler
DCD 0 ; Hard Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; SVCall Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; PendSV Handler
DCD 0 ; SysTick Handler
DCD 0 ; IRQ0 Handler
DCD 0 ; IRQ1 Handler
DCD 0 ; IRQ2 Handler
DCD 0 ; IRQ3 Handler
修改为:
; filepath: startup_CMSDK_CM0.s (修改后)
__Vectors DCD __initial_sp ; Top of Stack
DCD Reset_Handler ; Reset Handler
DCD 0 ; NMI Handler
DCD 0 ; Hard Fault Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; SVCall Handler
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; Reserved
DCD 0 ; PendSV Handler
DCD 0 ; SysTick Handler
DCD KEY0_Handler ; IRQ0 Handler
DCD KEY1_Handler ; IRQ1 Handler
DCD KEY2_Handler ; IRQ2 Handler
DCD KEY3_Handler ; IRQ3 Handler
修改说明
我们将 IRQ0-IRQ3 的处理函数从 0 (空处理) 改为 KEY0_Handler 到 KEY3_Handler。这样当矩阵键盘触发中断时，CPU 会跳转到对应的按键处理函数。
第二步：添加中断服务函数入口
在启动文件中找到注释 ; add IRQ Handler function here，添加以下中断服务函数的汇编入口:
; filepath: startup_CMSDK_CM0.s
; add IRQ Handler function here
KEY0_Handler PROC
EXPORT KEY0_Handler [WEAK]
BX LR
ENDP
KEY1_Handler PROC
EXPORT KEY1_Handler [WEAK]
BX LR
ENDP
KEY2_Handler PROC
EXPORT KEY2_Handler [WEAK]
BX LR
ENDP
KEY3_Handler PROC
EXPORT KEY3_Handler [WEAK]
BX LR
ENDP
为什么使用 [WEAK] 标记？
使用 [WEAK] 的目的是提供一个默认的空实现。如果用户在 C 代码中定义了同名函数（如 void KEY0_Handler(void)），链接器会使用 C 代码中的强定义，覆盖这里的弱定义。这样的设计使得：
- 即使用户没有实现中断处理函数，程序也不会链接失败
- 用户可以方便地在 C 代码中重写中断处理逻辑
当前实现的局限性
上述代码中，每个 Handler 只有一条 BX LR 指令，表示直接返回，不做任何处理。如果需要在中断中调用 C 函数，需要修改为如下形式：
KEY0_Handler PROC
EXPORT KEY0_Handler [WEAK]
IMPORT KEY0 ; 导入 C 函数
PUSH {R0,R1,R2,LR} ; 保存寄存器
BL KEY0 ; 调用 C 函数
POP {R0,R1,R2,PC} ; 恢复寄存器并返回
ENDP
这样可以在 C 代码中实现具体的中断处理逻辑。
思考题
- 如果两个键同时按下会怎样? 这叫"按键冲突", 如何检测和处理?
- 消抖时间设多少合适? 太短会怎样? 太长又会怎样?
- 如何实现"长按"检测功能?