雙向IO與IOB詳解

典型的全雙工（Full Duplex）系統(tǒng)如下圖所示，芯片1和芯片2之間有彼此獨(dú)立的數(shù)據(jù)傳輸線，這意味著芯片1和芯片2可以同時(shí)給對(duì)方發(fā)送數(shù)據(jù)而不會(huì)發(fā)生沖突。SPI/UART采用的就是全雙工通信方式。半雙工系統(tǒng)則不同，芯片1和芯片2之間只有一條專用的且被彼此共享的數(shù)據(jù)傳輸線。這就要求芯片1和芯片2必須協(xié)商好，當(dāng)前誰(shuí)發(fā)送數(shù)據(jù)，誰(shuí)接收數(shù)據(jù)。如果兩者同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)就會(huì)導(dǎo)致發(fā)送沖突，從而造成數(shù)據(jù)丟失。I2C采用的就是半雙工通信方式。

在上面兩張圖片中，其中的三角形代表輸入/輸出緩沖器（IBUF/OBUF），在半雙工系統(tǒng)中，多了一個(gè)控制信號(hào)TxEn，該信號(hào)控制的是三態(tài)緩沖器。這里我們先看一下三態(tài)緩沖器的真值表，如下圖所示?？梢钥吹絋xEn為1時(shí)三態(tài)緩沖器輸出等于輸入，為0時(shí)，輸出為高阻。當(dāng)芯片1和芯片2的TxEn均為高時(shí)，兩者均會(huì)驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸線發(fā)送數(shù)據(jù)，造成沖突。這在半雙工系統(tǒng)中是一定要避免的。

無(wú)論是VHDL還是Verilog/SystemVerilog，都提供了相應(yīng)的語(yǔ)句描述三態(tài)緩沖器，而綜合工具也可將其正確地推斷出來(lái)。下面給出了三態(tài)緩沖器對(duì)應(yīng)的VHDL代碼和Verilog代碼。其中io_data被聲明為雙向信號(hào)。需要注意的是盡管VHDL不區(qū)分大小寫(xiě)，但高阻態(tài)則必須用大寫(xiě)Z來(lái)表示，Verilog中大小寫(xiě)均可。

VHDL代碼

Verilog/SystemVerilog代碼

當(dāng)前主流的FPGA結(jié)構(gòu)中，三態(tài)緩沖器只存在于IOB（Input/Output Block）中。因此，對(duì)應(yīng)的雙向IO一定要放在設(shè)計(jì)的頂層、。如果在子模塊中使用了三態(tài)緩沖器，如下圖的I2C子模塊，因?yàn)榫C合工具判斷其出現(xiàn)在子模塊中，所以會(huì)將三態(tài)緩沖器移除使其成為普通輸出，從而造成功能錯(cuò)誤。

我們看一個(gè)案例，相應(yīng)的VHDL代碼和SystemVerilog代碼如下圖所示。雙向端口bio均通過(guò)關(guān)鍵字inout定義。bio作為輸入時(shí)和信號(hào)b相關(guān)，作為輸出時(shí)和信號(hào)a相關(guān)。信號(hào)a由寄存器輸出，信號(hào)b連接輸出寄存器的輸入端。這兩組寄存器都可以放置在IOB內(nèi)。

通過(guò)如下圖所示約束可將這兩組寄存器放置在IOB內(nèi)，這里屬性IOB的作用對(duì)象是通過(guò)命令get_cells獲取的寄存器對(duì)象。通過(guò)命令report_datasheet可查看是否放置成功。如顯示FDRE(IO)則說(shuō)明該寄存器在IOB內(nèi)。

也可以通過(guò)report_io_reg查看寄存器是否在IOB內(nèi)。