题目：请实现对4x4矩阵式键盘的按键识别，假设每次都是单按键输入，需要有去抖功能（持续20ms以上被认为是有效键值），模块时钟频率为1kHz，要求用状态机实现，定义状态，画出状态转移图，并用verilog完整描述该识别模块。矩阵式键盘电路结构参见下图，其中列线1-4由识别模块控制输出，行线5-8为识别模块的输入。
确认矩阵键盘上哪个按键被按下有多同方法，其中行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法。
1. 判断键盘中有无键按下：将全部行线 KEY_R1~KEY_R4 置低电平，然后检测列线 KEY_C1~KEY_C4 的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与 4 根行线相交叉的 4 个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
2. 判断闭合键所在的位置：在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：
依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
➢ 打拍操作
输入的 key_col 是异步信号，通常要进行打两拍操作，将异步信号 key_col 同步化，并防止亚稳态。
➢ 按键消抖
软件方法消抖，即检测出键闭合后执行一个延时程序，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为 5ms～20ms， 让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认按下按键操作有效。当检测到按键释放后，也要给 5ms～20ms 的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。由于按键按下去的时间一般都会大于 20ms，为了达到不管按键按下多久，都视为按下一次的效果，提出以下计数器架构，如下图所示：
消抖计数器 shake_cnt：用于计算 20ms 的时间，加一条件为 key_col_ff1 != 4'hf && flag_key==0，表示有某个按键按下并且之前没有按键按下；数到 1,000,000 下，表示数到 20ms 就结束。
行扫描计数器 row_index：用于区分扫描的行，加一条件为 key_row_check && end_shake_cnt，表示当处于行扫描状态并且每行消抖 20ms 后，开始扫描下一行；数到 4 下，表示 4 行按键扫描完了。
按键：表示有无按键按下，没被按下时为高电平，按下后为低电平。
按键指示信号 flag_key：该信号为低电平，指示之前没有按键按下；否则，指示有按键按下并且按键已消抖。
行扫描指示信号 key_row_check：该信号为高电平，指示当前处于行扫描状态。
矩阵键盘列信号 key_col_ff1：4bit 位宽的矩阵键盘列信号，最高位表示矩阵键盘往右数第四列，默认信号为 key_col_ff1 = 4'hf，否则表示该信号低电平对应位的列有按键按下。
矩阵键盘扫描代码如下（MDY）：
module key_scan(
input clk ,
input rst_n ,
input [3:0] key_col,
output reg [3:0] key_row,
output reg [3:0] key_out,
output reg key_vld
);
parameter TIME_20MS = 1_000_000 ;
reg [3:0] key_col_ff0 ;
reg [3:0] key_col_ff1 ;
reg key_col_check;
reg [ 21:0] shake ;
wire add_shake ;
wire end_shake ;
reg [1:0] key_col_get ;
reg key_row_check;
reg [1:0] row_index ;
wire add_row_index;
wire end_row_index;
wire flag ;
reg flag_add ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_col_ff0 <= 4'b1111;
key_col_ff1 <= 4'b1111;
end
else begin
key_col_ff0 <= key_col ;
key_col_ff1 <= key_col_ff0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_col_check <= 1'b0;
end
else if(key_col_ff1 !=4'hf && end_shake)begin
key_col_check <= 1'b1;
end
else if(key_col_ff1==4'hf)begin
key_col_check <= 1'b0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
shake <= 0;
end
else if(add_shake) begin
if(end_shake)
shake <= 0;
else
shake <= shake+1 ;
end
end
assign add_shake = (key_col_ff1 !=4'hf && flag_add==0);
assign end_shake = add_shake && shake == TIME_20MS-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
flag_add <= 0;
end
else if(end_shake)begin
flag_add <= 1;
end
else if(key_col_ff1 == 4'hf)begin
flag_add <= 0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_col_get <= 0;
end
else if(key_col_check) begin
if(key_col_ff1==4'b1110)
key_col_get <= 0;
else if(key_col_ff1==4'b1101)
key_col_get <= 1;
else if(key_col_ff1==4'b1011)
key_col_get <= 2;
else if(key_col_ff1==4'b0111)
key_col_get <= 3;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_row_check <= 0;
end
else if(key_col_check)begin
key_row_check <= 1;
end
else if(flag)begin
key_row_check <= 0;
end
end
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
if (rst_n==0) begin
row_index <= 0;
end
else if(add_row_index) begin
if(end_row_index)
row_index <= 0;
else
row_index <= row_index+1 ;
end
end
assign add_row_index = key_row_check && end_shake;
assign end_row_index = add_row_index && row_index == 4-1 ;
always @(posedge clk or negedge rst_n)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_row = 4'b0;
end
else if(key_row_check)begin
key_row = ~(4'b0001 << row_index);
end
else begin
key_row = 4'b0;
end
end
assign flag = key_row_check && key_col_ff1[key_col_get]==1'b0 && key_col_check==0;
always @(*)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_vld = 1'b0;
end
else if(flag )begin
key_vld = 1'b1;
end
else begin
key_vld = 1'b0;
end
end
always @(*)begin
if(rst_n==1'b0)begin
key_out = 4'd0;
end
else if(flag )begin
key_out = {row_index,key_col_get};
end
else begin
key_out = 4'd0;
end
end
endmodule
用状态机实现：
对于列扫描法(列线置低电平，检测行线状态)，其状态如下：
1 module matrixKeyboard(
2 input clk,
3 input rst_n,
4 input [3:0] row, // 矩阵键盘 行
5 output reg [3:0] col, // 矩阵键盘 列
6 output reg [3:0] keyboard_val // 键盘值
7 );
8
9 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
10 // 分频部分 开始
11 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
12 reg [19:0] cnt; // 去抖动计数器
13
14 always @ (posedge clk, negedge rst_n)
15 if (!rst_n)
16 cnt <= 0;
17 else
18 cnt <= cnt + 1'b1;
19
20 wire key_clk = cnt[19]; //T =(2^20/50M = 20.97152)ms
21 //--------------------------------------
22 // 分频部分 结束
23 //--------------------------------------
24
25
26 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
27 // 状态机部分 开始
28 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
29 // 状态数较少，独热码编码
30 parameter NO_KEY_PRESSED = 6'b000_001; // 没有按键按下
31 parameter SCAN_COL0 = 6'b000_010; // 扫描第0列
32 parameter SCAN_COL1 = 6'b000_100; // 扫描第1列
33 parameter SCAN_COL2 = 6'b001_000; // 扫描第2列
34 parameter SCAN_COL3 = 6'b010_000; // 扫描第3列
35 parameter KEY_PRESSED = 6'b100_000; // 有按键按下
36
37 reg [5:0] current_state, next_state; // 现态、次态
38
39 always @ (posedge key_clk, negedge rst_n)
40 if (!rst_n)
41 current_state <= NO_KEY_PRESSED;
42 else
43 current_state <= next_state;
44
45 // 根据条件转移状态
46 always @(*)
47 case (current_state)
48 NO_KEY_PRESSED : // 没有按键按下
49 if (row != 4'hF)
50 next_state = SCAN_COL0;
51 else
52 next_state = NO_KEY_PRESSED;
53 SCAN_COL0 : // 扫描第0列
54 if (row != 4'hF)
55 next_state = KEY_PRESSED;
56 else
57 next_state = SCAN_COL1;
58 SCAN_COL1 : // 扫描第1列
59 if (row != 4'hF)
60 next_state = KEY_PRESSED;
61 else
62 next_state = SCAN_COL2;
63 SCAN_COL2 : // 扫描第2列
64 if (row != 4'hF)
65 next_state = KEY_PRESSED;
66 else
67 next_state = SCAN_COL3;
68 SCAN_COL3 : // 扫描第3列
69 if (row != 4'hF)
70 next_state = KEY_PRESSED;
71 else
72 next_state = NO_KEY_PRESSED;
73 KEY_PRESSED : // 有按键按下
74 if (row != 4'hF)
75 next_state = KEY_PRESSED;
76 else
77 next_state = NO_KEY_PRESSED;
78 endcase
79
80 reg key_pressed_flag; // 键盘按下标志
81 reg [3:0] col_val, row_val; // 列值、行值
82
83 // 根据次态，给相应寄存器赋值
84 always @ (posedge key_clk, negedge rst_n)
85 if (!rst_n)
86 begin
87 col <= 4'h0;
88 key_pressed_flag <= 0;
89 end
90 else
91 case (next_state)
92 NO_KEY_PRESSED : // 没有按键按下
93 begin
94 col <= 4'h0;
95 key_pressed_flag <= 0; // 清键盘按下标志
96 end
97 SCAN_COL0 : // 扫描第0列
98 col <= 4'b1110;
99 SCAN_COL1 : // 扫描第1列
100 col <= 4'b1101;
101 SCAN_COL2 : // 扫描第2列
102 col <= 4'b1011;
103 SCAN_COL3 : // 扫描第3列
104 col <= 4'b0111;
105 KEY_PRESSED : // 有按键按下
106 begin
107 col_val <= col; // 锁存列值
108 row_val <= row; // 锁存行值
109 key_pressed_flag <= 1; // 置键盘按下标志
110 end
111 endcase
112 //--------------------------------------
113 // 状态机部分 结束
114 //--------------------------------------
115
116
117 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
118 // 扫描行列值部分 开始
119 //++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
120 always @ (posedge key_clk, negedge rst_n)
121 if (!rst_n)
122 keyboard_val <= 4'h0;
123 else
124 if (key_pressed_flag)
125 case ({col_val, row_val})
126 8'b1110_1110 : keyboard_val <= 4'h0;
127 8'b1110_1101 : keyboard_val <= 4'h4;
128 8'b1110_1011 : keyboard_val <= 4'h8;
129 8'b1110_0111 : keyboard_val <= 4'hC;
130
131 8'b1101_1110 : keyboard_val <= 4'h1;
132 8'b1101_1101 : keyboard_val <= 4'h5;
133 8'b1101_1011 : keyboard_val <= 4'h9;
134 8'b1101_0111 : keyboard_val <= 4'hD;
135
136 8'b1011_1110 : keyboard_val <= 4'h2;
137 8'b1011_1101 : keyboard_val <= 4'h6;
138 8'b1011_1011 : keyboard_val <= 4'hA;
139 8'b1011_0111 : keyboard_val <= 4'hE;
140
141 8'b0111_1110 : keyboard_val <= 4'h3;
142 8'b0111_1101 : keyboard_val <= 4'h7;
143 8'b0111_1011 : keyboard_val <= 4'hB;
144 8'b0111_0111 : keyboard_val <= 4'hF;
145 endcase
146 //--------------------------------------
147 // 扫描行列值部分 结束
148 //--------------------------------------
149
150 endmodule
参考资料：明德杨至简设计法
参考资料：驱动4x4矩阵键盘的思路