原创 FPGA双向端口inout的使用

 2009-10-14 22:35  8919 5 5 分类: FPGA/CPLD

转载：verilog双向端口的使用

芯片外部引脚很多都使用inout类型的，为的是节省管腿。一般信号线用做总线等双向数据传输的时候就要用到INOUT类型了。就是一个端口同时做输入和输出。 inout在具体实现上一般用三态门来实现。三态门的第三个状态就是高阻'Z'。当inout端口不输出时，将三态门置高阻。这样信号就不会因为两端同时输出而出错了,更详细的内容可以搜索一下三态门tri-state的资料.
1 使用inout类型数据,可以用如下写法:
inout data_inout;
input data_in;
reg data_reg;//data_inout的映象寄存器
reg link_data;
assign data_inout=link_data?data_reg:1’bz;//link_data控制三态门
//对于data_reg,可以通过组合逻辑或者时序逻辑根据data_in对其赋值.通过控制link_data的高低电平,从而设置data_inout是输出数据还是处于高阻态,如果处于高阻态,则此时当作输入端口使用.link_data可以通过相关电路来控制.
2 编写测试模块时,对于inout类型的端口,需要定义成wire类型变量,而其它输入端口都定义成reg类型,这两者是有区别的.
当上面例子中的data_inout用作输入时,需要赋值给data_inout,其余情况可以断开.此时可以用assign语句实现:assign data_inout=link?data_in_t:1’bz;其中的link ,data_in_t是reg类型变量,在测试模块中赋值.
另外,可以设置一个输出端口观察data_inout用作输出的情况:
Wire data_out;
Assign data_out_t=(!link)?data_inout:1’bz;

else，in RTL
inout use in top module(PAD)
dont use inout(tri) in sub module
也就是说，在内部模块最好不要出现inout，如果确实需要，那么用两个port实现，到顶层的时候再用三态实现。理由是：在非顶层模块用双向口的话，该双向口必然有它的上层跟它相连。既然是双向口，则上层至少有一个输入口和一个输出口联到该双向口上，则发生两个内部输出单元连接到一起的情况出现，这样在综合时往往会出错。

对双向口，我们可以将其理解为2个分量：一个输入分量，一个输出分量。另外还需要一个控制信号控制输出分量何时输出。此时，我们就可以很容易地对双向端口建模。

例子：
CODE:
module dual_port (
....
inout_pin,
....
);

inout inout_pin;

wire inout_pin;

wire input_of_inout;
wire output_of_inout;
wire out_en;

assign input_of_inout = inout_pin;

assign inout_pin = out_en ? output_of_inout : 高阻;

endmodule

可见，此时input_of_inout和output_of_inout就可以当作普通信号使用了。

在仿真的时候，需要注意双向口的处理。如果是直接与另外一个模块的双向口连接，那么只要保证一个模块在输出的时候，另外一个模块没有输出（处于高阻态）就可以了。
如果是在ModelSim中作为单独的模块仿真，那么在模块输出的时候，不能使用force命令将其设为高阻态，而是使用release命令将总线释放掉

很多初学者在写testbench进行仿真和验证的时候，被inout双向口难住了。仿真器老是提示错误不能进行。下面是我个人对inout端口写 testbench仿真的一些总结，并举例进行说明。在这里先要说明一下inout口在testbench中要定义为wire型变量。

先假设有一源代码为：

module xx(data_inout , ........);

inout data_inout;

........................

assign data_inout=(! link)?datareg:1'bz;

endmodule

方法一：使用相反控制信号inout口，等于两个模块之间用inout双向口互连。这种方法要注意assign 语句只能放在initial和always块内。

module test();

wire data_inout;

reg data_reg;

reg link;

initial begin

..........

end

assign data_inout=link?data_reg:1'bz;

endmodule

方法二：使用force和release语句，但这种方法不能准确反映双向端口的信号变化，但这种方法可以反在块内。

module test();

wire data_inout;

reg data_reg;

reg link;

#xx; //延时

force data_inout=1'bx; //强制作为输入端口

...............

#xx;

release data_inout; //释放输入端口

endmodule

很多读者反映仿真双向端口的时候遇到困难，这里介绍一下双向端口的仿真方法。一个典型的双向端口如图1所示。

其中inner_port与芯片内部其他逻辑相连，outer_port为芯片外部管脚，out_en用于控制双向端口的方向，out_en为1时，端口为输出方向，out_en为0时，端口为输入方向。

用Verilog语言描述如下：
module bidirection_io(inner_port,out_en,outer_port);
input out_en;
inout[7:0] inner_port;
inout[7:0] outer_port;
assign outer_port=(out_en==1)?inner_port:8'hzz;
assign inner_port=(out_en==0)?outer_port:8'hzz;
endmodule

用VHDL语言描述双向端口如下：
library ieee;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
entity bidirection_io is
port ( inner_port : inout std_logic_vector(7 downto 0);
out_en : in std_logic;
outer_port : inout std_logic_vector(7 downto 0) );
end bidirection_io;
architecture behavioral of bidirection_io is
begin
outer_port<=inner_port when out_en='1' else (OTHERS=>'Z');
inner_port<=outer_port when out_en='0' else (OTHERS=>'Z');
end behavioral;

仿真时需要验证双向端口能正确输出数据，以及正确读入数据，因此需要驱动out_en端口，当out_en端口为1时，testbench驱动 inner_port端口，然后检查outer_port端口输出的数据是否正确；当out_en端口为0时，testbench驱动 outer_port端口，然后检查inner_port端口读入的数据是否正确。由于inner_port和outer_port端口都是双向端口（在 VHDL和Verilog语言中都用inout定义），因此驱动方法与单向端口有所不同。
验证该双向端口的testbench结构如图2所示。

这是一个self-checking testbench，可以自动检查仿真结果是否正确，并在Modelsim控制台上打印出提示信息。图中Monitor完成信号采样、结果自动比较的功能。
testbench的工作过程为
1）out_en=1时，双向端口处于输出状态，testbench给inner_port_tb_reg信号赋值，然后读取outer_port_tb_wire的值，如果两者一致，双向端口工作正常。
2）out_en=0时，双向端口处于输如状态，testbench给outer_port_tb_reg信号赋值，然后读取inner_port_tb_wire的值，如果两者一致，双向端口工作正常。

用Verilog代码编写的testbench如下，其中使用了自动结果比较，随机化激励产生等技术。

`timescale 1ns/10ps
module tb();
reg[7:0] inner_port_tb_reg;
wire[7:0] inner_port_tb_wire;
reg[7:0] outer_port_tb_reg;
wire[7:0] outer_port_tb_wire;
reg out_en_tb;
integer i;

initial
begin
out_en_tb=0;
inner_port_tb_reg=0;
outer_port_tb_reg=0;
i=0;
repeat(20)
begin
#50
i=$random;
out_en_tb=i[0]; //randomize out_en_tb
inner_port_tb_reg=$random; //randomize data
outer_port_tb_reg=$random;
end
end

//**** drive the ports connecting to bidirction_io
assign inner_port_tb_wire=(out_en_tb==1)?inner_port_tb_reg:8'hzz;
assign outer_port_tb_wire=(out_en_tb==0)?outer_port_tb_reg:8'hzz;

//instatiate the bidirction_io module
bidirection_io bidirection_io_inst(.inner_port(inner_port_tb_wire),
.out_en(out_en_tb),
.outer_port(outer_port_tb_wire));

//***** monitor ******
always@(out_en_tb,inner_port_tb_wire,outer_port_tb_wire)
begin
#1;
if(outer_port_tb_wire===inner_port_tb_wire)
begin
$display("\n **** time=%t ****",$time);
$display("OK! out_en=%d",out_en_tb);
$display("OK! outer_port_tb_wire=%d,inner_port_tb_wire=%d",
outer_port_tb_wire,inner_port_tb_wire);
end
else
begin
$display("\n **** time=%t ****",$time);
$display("ERROR! out_en=%d",out_en_tb);
$display("ERROR! outer_port_tb_wire != inner_port_tb_wire" );
$display("ERROR! outer_port_tb_wire=%d, inner_port_tb_wire=%d",
outer_port_tb_wire,inner_port_tb_wire);
end
end
endmodule