FPGA双向IO使用之三态门说明

本文详细介绍了FPGA设计中双向IO的使用,特别是通过三态门结构来实现输入输出的切换。当EN=1时,双向IO作为输出口,EN=0时作为输入口。通过控制ENout和ENin,可以实现数据从A到B或从B到A的传输。此外,还展示了如何在Verilog或VHDL中建模和控制双向IO,以及在FPGA内部处理双向IO信号的限制和解决方法。

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在FPGA设计中,双向IO(输入输出引脚)是一个比较麻烦的东西,但是信号线用作总线等双向数据传输时就要用到inout类型。

以下用液晶的的数据线用作双向IO示例:

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说是双向IO端口,其实输入和输出不是同时进行的,需要有一个控制信号out_en来控制端口什么时候为输出,什么时候为输入。

那这里就需要引入一个三态门结构电路。

三态门结构

那么三态门的结构是怎样的呢?

三态门电路的输出结构和普通门电路的输出结构有很大的不同,因为它在电路中增加了一个输出控制端EN。

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由上图看出,在单相三态门中,当EN=1时,对原电路无影响,电路的输出符合原来电路的所有逻辑关系,即A可以输出到B。当EN= 0时,电路内部的所有输出与外部将处于一种关断状态。

因此,当FPGA的信号线存在双向IO时,可以有两个三态门来控制,一个控制输出,一个控制输入,结构如下:

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当ENout=1,ENin=0时,双向三态门的电路传输方向是A->B;
当ENout=0,ENin=1时,双向三态门的电路传输方向是B->A;

模型分析

下面简单做个简易模型来说明双向IO如何分别实现作为输入端口和输出端口的功能,模块图如下:

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模型引脚定义

(1)输入口A定义:当双向端口dinout作为输出口时,我们将A端口输入数据传到模块中,让数据从dinout口出来。

(2)输出端口B定义:当当双向端口dinout作为输入口时,我们将dinout端口输入数据传到模块中,让数据从B口出来。

(3)EN控制信号定义:当EN=1时,开通三态门,将dinout作为输出口使用,当EN=0时,把三态门置为高阻态,这时dinout作为输入口用。

代码展示

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编译分析后查看RTL视角逻辑电路,符合原有模型设计。

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总结说明

(1)FPGA内部不允许传递双向IO信号,只有FPGA对外部才能定义为双向IO端口,即只有在顶层输出的信号才可以被赋值为高阻态。

(2)在结构化建模的过程中,一个模块一个功能的建模,当涉及到内部模块的端口是双向IO端口时,然后根据一个双向IO对应一个输入,一个输出和一个使能控制,把模块中双向IO的输出用输出端口代替,双向IO的输入用输入端口代替,引出使能信号,并把对应assign中赋值的高阻态z根据实际情况给出0或1,来解决FPGA内部双向IO连接问题。

<think>嗯,用户想了解三态门的Verilog代码。首先,我得回忆一下什么是三态门三态门,也就是Tri-state Buffer,有三个状:高电平、低电平高阻。高阻候,输出端相当于断开,这样多个设备可以共享同一总线而不会冲突。对吧? 接下来,我需要考虑Verilog中如何实现三态门。记得Verilog里有条件判断语句,比如assign语句结合条件运算符。当使能信号有效,输出输入信号;否则输出高阻z。 那应该分两种情况:一种是使能高有效,另一种是使能低有效。用户可能需要这两种情况的例子。比如,当enable为1,输出等于输入;否则为高阻。同样,如果enable是低电平有效,就取反enable的值。 然后,可能需要提供一个完整的模块代码示例,包括模块定义、输入输出端口,以及assign语句。同,要注意代码中的注释,这样用户更容易理解每个部分的作用。 另外,应用场景部分也很重要。用户可能想知道三态门在实际中的用途,比如总线通信、双向IO等。需要简单说明这些场景,帮助用户理解为什么需要三态门。 还要注意Verilog的语法是否正确,比如使用assign语句,条件运算符是否正确,高阻是否用小写z。同,提醒用户在使用注意使能信号的控制,避免多个三态门使能导致冲突。 可能用户是刚开始学习Verilog,所以需要结构清晰,分步骤解释,并给出实际例子。确保回答准确,没有错误,同用中文表达,符合用户的要求。</think>三态门(Tri-state Buffer)是数字电路中实现总线共享的重要结构,其Verilog实现可分为以下步骤: 一、三态门基本结构 三态门包含三个端口: 1. 数据输入(din) 2. 使能控制(enable) 3. 数据输出(dout) 二、Verilog实现代码 1. 高电平有效使能: ```verilog module tri_state_buffer( input din, // 数据输入 input enable, // 使能信号(高有效) output dout // 三输出 ); assign dout = enable ? din : 1'bz; // 使能输出数据,否则高阻 endmodule ``` 2. 低电平有效使能: ```verilog module tri_state_buffer_low( input din, input enable_n, // 使能信号(低有效) output dout ); assign dout = (~enable_n) ? din : 1'bz; // 使能信号取反后控制 endmodule ``` 三、关键语法说明 1. `1'bz` 表示单比特高阻 2. 条件运算符`? :`实现三控制逻辑 3. 必须使用连续赋值语句`assign` 四、应用场景示例 1. 总线通信: ```verilog // 总线连接示例 wire [7:0] bus; tri_state_buffer u1(.din(data1), .enable(sel1), .dout(bus)); tri_state_buffer u2(.din(data2), .enable(sel2), .dout(bus)); ``` 2. 双向IO接口: ```verilog inout io_pin; assign io_pin = (direction) ? tx_data : 1'bz; assign rx_data = io_pin; ``` 五、注意事项 1. 同一刻只能有一个三态门使能 2. 高阻输出不能直接驱动普通逻辑 3. 在FPGA中需要符合IOB约束 4. 仿真需注意高阻的传播特性 实际工程中,三态门常用于: - 存储器数据总线接口 - 外设共享总线设计 - 可配置输入/输出引脚 - 多主设备仲裁系统 需要根据具体器件特性(如FPGAIOB结构)进行序约束物理实现优化。
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