Verilog中的三態(tài)門與雙向信號(hào)詳解

1.前言

在數(shù)字電路中，邏輯輸出有兩個(gè)正常態(tài)：低電平狀態(tài)（對(duì)應(yīng)邏輯0）和高電平狀態(tài)（對(duì)應(yīng)邏輯1）。此外，電路還有不屬于0和1狀態(tài)的高阻態(tài)，高阻態(tài)常用字母 Z 表示。

高阻態(tài)可做開路理解?？梢园阉醋鬏敵觯ㄝ斎耄?a target="_blank">電阻非常大，它的極限狀態(tài)可以認(rèn)為懸空（開路）。也就是說理論上高阻態(tài)不是懸空，它是對(duì)地或?qū)?a target="_blank">電源電阻極大的狀態(tài)。而實(shí)際應(yīng)用上與引腳的懸空幾乎是一樣的。或者可以理解為輸出與電路是斷開的。高阻抗?fàn)顟B(tài)將器件與電路的其余部分電路隔離。高阻態(tài)時(shí)引腳對(duì)地電阻無窮，此時(shí)讀引腳電平就可以讀到真實(shí)的電平值。高阻態(tài)的重要作用就是I/O口在用作輸入(input)時(shí)讀入外部電平。

一般門與其它電路的連接，無非是兩種狀態(tài)，0或者1，在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，為了能在一條傳輸線上傳送不同的信號(hào)，研制了相應(yīng)的邏輯器件稱為三態(tài)門。三態(tài)門是一種控制開關(guān)。

三態(tài)門主要是用于總線的連接，因?yàn)榭偩€只允許同時(shí)只有一個(gè)器件使用。通常在數(shù)據(jù)總線上接有多個(gè)器件，每個(gè)器件通過OE/CE之類的信號(hào)選通。如果器件沒有選通的話它就處于高阻態(tài)，相當(dāng)于沒有接在總線上，不影響其它器件的工作。三態(tài)邏輯門允許許多設(shè)備連接到相同的數(shù)據(jù)線上，例如數(shù)據(jù)和地址總線。然而，任何時(shí)候只有一個(gè)設(shè)備“連接”，所有其他設(shè)備都處于高阻抗?fàn)顟B(tài)，因此電氣斷開。

雙向信號(hào)本質(zhì)上是由一個(gè)三態(tài)門組成，具體細(xì)節(jié)參見后面的描述。

2. 三態(tài)門

2.1示意圖、真值表

Verilog中有四個(gè)元件模型來表示三態(tài)門電路，分別是bufif1，bufif0，notif1，notif0。三態(tài)門的示意圖、真值表分別如下圖所示：

2.2 三態(tài)門結(jié)構(gòu)

三態(tài)門電路的輸出結(jié)構(gòu)和普通門電路的輸出結(jié)構(gòu)有很大的不同，因?yàn)樗陔娐分性黾恿艘粋€(gè)輸出控制端。

2.2.1 單向三態(tài)門

單向三態(tài)門的結(jié)構(gòu)示意圖如下：

由上圖看出，在單向三態(tài)門中，當(dāng)E為高電平時(shí)，B與A相連，數(shù)據(jù)流向是A-->B；而當(dāng)E為低電平時(shí)，B的輸出為高阻態(tài)，相當(dāng)于B側(cè)電路與A側(cè)電路之間的連線斷開，此時(shí)可以從外部向B驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相反方向的數(shù)據(jù)流向(B-->A)。

2.2.1 雙向三態(tài)門

當(dāng)信號(hào)線存在雙向IO時(shí)，可以有兩個(gè)三態(tài)門來控制，一個(gè)控制輸出，一個(gè)控制輸入，雙向三態(tài)門的結(jié)構(gòu)示意圖如下：

當(dāng)E1=1，E2=0時(shí)，雙向三態(tài)門的電路傳輸方向是 A -> B；
當(dāng)E1=0，E2=1時(shí)，雙向三態(tài)門的電路傳輸方向是 B -> A；

2.3 三態(tài)門建模

三態(tài)門的RTL建模方式如下所示

//Tristate Buffer
moduletristate_buffer(input_x,enable,output_x);
inputinput_x;
inputenable;
output output_x;


assign output_x = enable? input_x : 'bz;


endmodule

testbench如下：

module tb();   
reg r_in_x;   
reg w_enable;  
wire w_output_x;


initial begin $display("----------------------
Tri-State Buffer
----------------------
"); 
$monitor("input_x = %b, enable = %b, output_x = %b", r_in_x, w_enable, w_output_x); 
// Generation of stimulus
r_in_x = 0; w_enable= 0;       
# 10  r_in_x = 0;# 10  r_in_x = 1; 
# 10  w_enable = 1; 
# 10  r_in_x = 1; 
# 10  r_in_x = 0; 
end


// Tri-state buffer instantiation
tristate_buffer u_tristate_buffer( 
  .input_x (r_in_x), 
  .enable  (w_enable),  
  .output_x (w_output_x));
endmodule

仿真結(jié)果

3. 雙向信號(hào)

在芯片驗(yàn)證的過程中，有時(shí)候會(huì)遇到雙向信號(hào)(既能作為輸出，也能作為輸入的信號(hào)叫雙向信號(hào))。比如，IIC總線中的SDA信號(hào)就是一個(gè)雙向信號(hào)，QSPI Flash的四線操作的時(shí)候四根信號(hào)線均為雙向信號(hào)。在Verilog中用關(guān)鍵字inout定義雙向信號(hào)。

如下圖所示，雙向信號(hào)的本質(zhì)是由一個(gè)三態(tài)門組成的，三態(tài)門可以輸出高電平、低電平和高阻態(tài)三種狀態(tài)，其結(jié)構(gòu)大致如下圖所示：

描述這個(gè)邏輯的Verilog代碼如下：

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    

當(dāng)Control為1時(shí)，IO_data為輸出，輸出I_data_in的值

當(dāng)Control為0時(shí)，IO_data為輸入，把輸入的信號(hào)賦值給O_data_out。

審核編輯：湯梓紅