设计经验1如何规范的处理inout信号

Posted 2021-01-12 liujinggang

　　在FPGA的设计过程中，有时候会遇到双向信号(既能作为输出，也能作为输入的信号叫双向信号)。比如，IIC总线中的SDA信号就是一个双向信号，QSPI Flash的四线操作的时候四根信号线均为双向信号。在Verilog中用关键字inout定义双向信号，这总结一下双向信号的处理方法。

　　实际上，双向信号的本质是由一个三态门组成的，三态门可以输出高电平，低电平和高阻态三种状态，在FPGA中，一个三态门的结构如下图所示：

 　　　　

　　描述这个逻辑的Verilog代码如下：

module inout_top
(
input       I_data_in        ,
inout       IO_data          ,
output     O_data_out     ,
input       Control
);

assign IO_data = Control ? I_data_in : 1‘bz ;
assign O_data_out = IO_data ;

endmodule    

　　当Control为1时，IO_data为输出，输出I_data_in的值

　　当Control为0时，IO_data为输入，把输入的信号赋值给O_data_out

 　　这段代码在Vivado2015.4.2编译环境下的RTL图如下图所示

 

　　在ISE14.7的编译环境下的RTL图如下图所示

 　　

 

　　可以发现在Vivado2015.4.2环境的Control信号的IBUF后面居然还综合出了一个LUT，在ISE14.7环境下Control信号后面综合出了一个反向器，出现这个LUT和反向器的原因是Control为1才把IO_data设置成输出，而在Xilinx中一个IOBUF资源默认T端为0时IO端才为输出，T端为1时，IO端为输入，所以把

　　assign IO_data = Control ? I_data_in : 1‘bz ;

　　改为

　　assign IO_data = (Control == 1’b0) ? I_data_in : 1‘bz ;

　　在Vivado2015.4.2环境下综合出的RTL图为下图

 　　

　　在ISE14.7的环境下综合出的RTL图如下图所示

 　　

　　显然，Vivado环境中LUT和ISE环境中的反相器不见了，节省了1个Cell资源。

　　以上是处理inout的第一种方法，第二种处理inout信号的方法是调用Xilinx的IOBUF原语，IOBUF的原语可以在Vivado2015.4.2的Language Templates中找到

 　　

　　调用这个原语的Verilog代码如下：

module inout_top
(
input   I_data_in,
inout   IO_data  ,
output  O_data_out  ,
input   Control
);

IOBUF #(
  .DRIVE(12), // Specify the output drive strength
  .IBUF_LOW_PWR("TRUE"),  // Low Power - "TRUE", High Performance = "FALSE"
  .iosTANDARD("DEFAULT"), // Specify the I/O standard
  .SLEW("SLOW") // Specify the output slew rate
) IOBUF_inst (
  .O(O_data_out),     // Buffer output
  .IO(IO_data),   // Buffer inout port (connect directly to top-level port)
  .I(I_data_in),     // Buffer input
  .T(Control)      // 3-state enable input, high=input, low=output
);

endmodule

　　在Vivado2015.4.2环境下综合出的RTL图如下图所示

 　　

　　在ISE14.7环境下综合出的RTL图如下图所示

　　 

　　显然和  assign IO_data = (Control == 1’b0) ? I_data_in : 1‘bz ;这种情况下综合出的RTL完全一样。

 

总结，利用Verilog处理双向信号有两种方式：

　　1、写代码

　　　　assign IO_data = (Control == 1’b0)? I_data_in : 1‘bz ;

　　　　assign O_data_out = IO_data ;

 

　　2、例化IOBUF原语

　　　　IOBUF #(

 　　　　 .DRIVE(12), // Specify the output drive strength

  　　　　.IBUF_LOW_PWR("TRUE"),  // Low Power - "TRUE", High Performance = "FALSE"

  　　　　.IOSTANDARD("DEFAULT"), // Specify the I/O standard

  　　　　.SLEW("SLOW") // Specify the output slew rate

　　　　) IOBUF_inst (

  　　　　.O(O_data_out),     // Buffer output

  　　　　.IO(IO_data),   // Buffer inout port (connect directly to top-level port)

 　　　　 .I(I_data_in),     // Buffer input

  　　　　.T(Control)      // 3-state enable input, high=input, low=output

　　　　);

 

题外话：

　　最近调一套代码，代码是前辈写的，之前都是用ISE开发，那套代码用ISE编译出的bit文件可以正常运行，但是最新的项目由于要添加更多的功能，所以选用了K7系列的FPGA，在Vivado下开发，结果发现原来正常运行的代码在Vivado下就不能运行了，通过反复检查与定位，发现原来的那套代码对inout信号的处理十分不规范，而且没有加Control这个控制信号来控制inout的方向，直接想当然的作为输入或者输出来使用。最后我们把inout信号全部采用上面两种规范的处理方法处理以后，代码正常运行。所以平时在设计的过程中一定要多注意细节，力求规范。

 

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