FPGA双向IO使用之三态门说明

FPGA双向IO使用之三态门说明

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：

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。

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：

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：

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

编译分析后查看RTL视角逻辑电路，符合原有模型设计。

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。