FPGA之IO信号类型深入理解
lai-jian-tao 人气:0在FPGA设计开发中，很多场合会遇到同一根信号既可以是输入信号，又可以是输出信号，即IO类型（Verilog定义成inout）。
对于inout型的信号，我们既可以使用FPGA原语来实现，也可以使用Verilog代码来实现。下面将介绍在Xilinx 7系列FPGA上两种实现方式的差别和注意点。
不管哪种方式实现IO功能，从编译结果看都会调用IOBUF原语，为此，我们先来看一下IOBUF的结构，如下图所示。
1.FPGA原语实现
首先，我们编写的代码如下：
1`define PRIMITIVE
2
3 module io_buf(
4 input T ,
5 input I ,
6 output O ,
7 inout IO
8 );
9
10 `ifdef PRIMITIVE
11 IOBUF #(
12 .DRIVE (12 ), // Specify the output drive strength
13 .IBUF_LOW_PWR ("TRUE" ), // Low Power - "TRUE", High Performance = "FALSE"
14 .IOSTANDARD ("DEFAULT" ), // Specify the I/O standard
15 .SLEW ("SLOW" ) // Specify the output slew rate
16 ) IOBUF_INST (
17 .O (O ), // Buffer output
18 .IO (IO ), // Buffer inout port (connect directly to top-level port)
19 .I (I ), // Buffer input
20 .T (T ) // 3-state enable input, high=input, low=output
21 );
22 `else
23 assign IO = T? I:1'bz;
24 assign O = IO;
25 `endif
26
27 endmodule
该代码通过原语IOBUF实现IO功能，使用Vivado编译后的原理图如下图所示。可以看到IOBUF内部由OBUFT和IBUF原语构成。
2.使用Verilog实现
把`define PRIMITIVE注释掉，则为通过Verilog的实现方式，如下图：
//`define PRIMITIVE
module io_iobuf(
input T ,
input I ,
output O ,
inout IO
);
`ifdef PRIMITIVE
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 ), // Buffer output
.IO (IO ), // Buffer inout port (connect directly to top-level port)
.I (I ), // Buffer input
.T (T ) // 3-state enable input, high=input, low=output
);
`else
assign IO = T? I:1'bz;
assign O = IO;
`endif
endmodule
该代码使用Vivado编译后的原理图如下图所示。该实现方式也会调用IOBUF原语，但多消耗了一个LUT资源。
通过Verilog实现时，我们在把IO信号当成输入时给赋值高阻态（1‘bz）。假如我们把此时的IO信号赋值1‘b0或者1‘b1，会出现什么情况呢？我们把1‘bz写成1‘b1，如下所示：
1 //`define PRIMITIVE
2
3 module io_iobuf(
4 input T ,
5 input I ,
6 output O ,
7 inout IO
8 );
9
10 `ifdef PRIMITIVE
11 IOBUF #(
12 .DRIVE (12 ), // Specify the output drive strength
13 .IBUF_LOW_PWR ("TRUE" ), // Low Power - "TRUE", High Performance = "FALSE"
14 .IOSTANDARD ("DEFAULT" ), // Specify the I/O standard
15 .SLEW ("SLOW" ) // Specify the output slew rate
16 ) IOBUF_INST (
17 .O (O ), // Buffer output
18 .IO (IO ), // Buffer inout port (connect directly to top-level port)
19 .I (I ), // Buffer input
20 .T (T ) // 3-state enable input, high=input, low=output
21 );
22 `else
23 assign IO = T? I:1'b1;
24 assign O = IO;
25 `endif
26
27 endmodule
编译后的原理图如下，可以看到并不会调用IOBUF原语，IO的不能实现输入功能，这就是解释了为什么在使用Verilog实现一根信号的IO功能时需要赋值1‘bz。
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