FPGA中的INOUT接口和高阻态

除了输入输出端口，FPGA中还有另一种端口叫做inout端口。如果需要进行全双工通信，是需要两条信道的，也就是说需要使用两个FPGA管脚和外部器件连接。但是，有时候半双工通信就能满足我们的要求，理论上来说只需要一条信道就足够了，而FPGA上实现这一功能的管脚就是inout端口。管脚相连时，input对应output，因此inout只能和inout连接（否则就不是inout了）。本文将概述FPGA的inout端口。

1. 三态门

    三态门，故名思议就是这个期间具有三种状态。对于数字电路来说，三种状态是高电平、低电平和高阻态。Xilinx的《XST User Guide》上给出了三态门的Verilog HDL（以及VHDL）的描述，具体如下：

 1 // Tristate Description Using Concurrent Assignment
 2 
 3 // Combinatorial Always Block Can be Used too.
 4 
 5 module v_three_st_2 (T, I, O);
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 7     input T, I;
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 9     output O;
10 
11     assign O = (~T) ? I: 1’bZ;
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13 endmodule

   三态门意味着，输出端口除了输出高、低电平之外还可以有第三种状态，这是inout端口实现的基础。

2. 高阻和悬空

    三态门中有一个状态是高阻。高阻，即可以认为是没有输出，作为输出端口而言，对下级电路没有任何影响。悬空是针对输入端口来说的，也就是说没有接输入。这也就意味着，实际上高阻和悬空是一个状态，在HDL语言里都表示为Z。

    也就是说，一个输出端口在高阻态的时候，其状态是由于其相连的其他电路决定的，可以将其看作是输入。

3. INOUT

    从上一节内容中可以看出，当三态门的输出处于高阻状态的时候，取值由外部电路决定，也就是说，这一时刻是可以作为输入。INOUT端口的描述和示意图如下

 1 module inout_def(clk,data_inout)
 2 input clk;
 3 inout data_inout;
 4 reg data_out; 
 5 reg data_out_control; 
 6 //define data_out
 7 
 8 //define data_out_control
 9 
10 //assign data_inout 
11 assign data_inout=data_out_control?data_out:1'bz;  
12 
13 //assign data_in
14 wire data_in;
15 assign data_in=(!data_out_control)&data_inout;
16 
17 endmodule

 

4. PULLUP和PULLDOWN

    如果两个INOUT都处于高阻态，那么接收到的信号到底是什么状态呢？这实际上等效为两个INPUT端口连接，也就等效为INPUT端口悬空。    

    这应该是取决于外围的驱动，添加的上拉或者下拉电阻，一般而言，FPGA添加的是上拉电阻，也就意味着此时chipscope采集的数据是高电平.

    FPGA管脚内部可以配置弱上拉或下拉电阻来实现Z状态下的控制。分别采用PULL UP和PULL DOWN约束实现，UCF、NCF语法如下

1      NET "pad_net_name" PULLUP;
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3     //Configures the I/O to use a Pullup constraint.
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5      DEFAULT PULLUP = TRUE;
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7     //Configures the Pullup constraint to be used globally.

    这一部分内容有待进一步验证。