FPGA基础知识极简教程（8）详解三态缓冲器
- 写在前面
- 正文
- 全双工与半双工
- FPGA和ASIC中的三态缓冲器
- 如何在VHDL和Verilog中推断出三态缓冲区
- 参考资料
- 交个朋友
写在前面
下面用举例子的方式引出三态门，内容过长，大家可直接跳过，进入正文！
三态门在FPGA以及ASIC设计中十分常用，随便举一个例子，在RAM的设计中（无论是同步读写RAM还是异步读写RAM设计），我们常将数据总线设计成inout类型，下面是一个设计程序实例：
`timescale 1ns / 1ps
//////////////////////////////////////
// Engineer: Reborn Lee
// Module Name: single_port_syn_ram
/////////////////////////////////////
module single_port_syn_ram#(
parameter ADDR_WIDTH = 4,
parameter DATA_WIDTH = 16,
parameter DEPTH = 2**ADDR_WIDTH
)(
input i_clk,
input [ADDR_WIDTH - 1 : 0] addr,
inout [DATA_WIDTH - 1 : 0] data,
input cs,
input wr,
input oe
);
reg [DATA_WIDTH - 1 : 0] mem[0 : DEPTH - 1];
reg [DATA_WIDTH - 1 : 0] mid_data;
// write part
always@(posedge i_clk) begin
if(cs&wr) begin
mem[addr] <= data;
end
end
// read part
always@(posedge i_clk) begin
if(cs & !wr) begin
mid_data <= mem[addr];
end
end
assign data = (cs & oe & !wr)? mid_data: 'hz;
endmodule在读数据的时候，我们需要设计一个三态缓冲器，如下：
assign data = (cs & oe & !wr)? mid_data: 'hz;读使能有效时，我们将从缓冲区读出的数据放到mid_data中，之后通过一个三态门来将数据mid_data输出到三态总线上，此三态门的使能条件为读使能！这条语句在综合工具中就会被推断为一个三态缓冲器！在读使能有效时，将读取数据放在总线上，否则呈现为高阻态，避免占用此数据总线。
在testbench文件中，我们同样需要作出类似的操作，如下针对上面的ram的测试文件：
`timescale 1ns / 1ps
///////////////////////////
// Engineer: Reborn Lee
// Module Name: ram_tb
//////////////////////////
module ram_tb(
);
parameter ADDR_WIDTH = 4;
parameter DATA_WIDTH = 16;
parameter DEPTH = 2**ADDR_WIDTH;
reg i_clk;
reg [ADDR_WIDTH - 1 : 0] addr;
wire [DATA_WIDTH - 1 : 0] data;
reg cs;
reg wr;
reg oe;
reg [DATA_WIDTH-1:0] tb_data;
//generate system clock
initial begin
i_clk = 0;
forever begin
# 5 i_clk = ~i_clk;
end
end
assign data = !oe ? tb_data : 'hz;
initial begin
{cs, wr, addr, tb_data, oe} = 0;
repeat (2) @ (posedge i_clk);
//write test
for (integer i = 0; i < 2**ADDR_WIDTH; i= i+1) begin
repeat (1) @(negedge i_clk) addr = i; wr = 1; cs =1; oe = 0; tb_data = $random;
end
//read test
repeat (2) @ (posedge i_clk);
for (integer i = 0; i < 2**ADDR_WIDTH; i= i+1) begin
repeat (1) @(posedge i_clk) addr = i; wr = 0; cs = 1; oe = 1;
end
#20 $finish;
end
single_port_syn_ram #(
.ADDR_WIDTH(ADDR_WIDTH),
.DATA_WIDTH(DATA_WIDTH),
.DEPTH(DEPTH)
) inst_single_port_syn_ram (
.i_clk (i_clk),
.addr (addr),
.data (data),
.cs (cs),
.wr (wr),
.oe (oe)
);
endmodule由于inout端口在测试文件中必须设置为wire类型，因此，我们在设计写数据时，需要定义一个中间reg类型变量，这个变量在写使能有效时候输入给写数据端口，如下：
assign data = !oe ? tb_data : 'hz;否则，也就是写使能无效时，就为高阻态，不占用数据总线！注：上面用了oe无效代替写使能有效，有点不太严谨，但也没问题 ，仅供各位参考！
- 个人微信公众号：FPGA LAB
- 个人博客首页[1]
- 注：学习交流使用！
正文
三态缓冲器可以处于以下三种状态之一：逻辑0，逻辑1和Z（高阻抗）。它们的使用允许多个驱动程序共享一条公共线路。这使得它们在半双工通信中特别有用。让我们首先讨论半双工和全双工通信之间的区别。
全双工与半双工
全双工和半双工的区别可以使用下面的两幅图来说明：
在全双工系统中，有两个路径用于在两个芯片之间发送数据。从芯片1到芯片2有一条专用路径，从芯片2到芯片1有一条专用路径。在半双工系统中，只有一条路径可以在两个芯片之间发送数据。因此，这两个芯片必须在要传输的对象上达成共识。如果两者尝试同时传输，则线路上将发生冲突，并且数据将丢失。
全双工框图
半双工框图
在以上两个图中，三角形是您的缓冲区。注意，在半双工框图中，存在信号Tx En。这是控制三态发送缓冲器的信号。在全双工块图中，此信号不是必需的，因为两个发送器都可以在100％的时间内打开，而不会在线路上发生冲突。
FPGA和ASIC中的三态缓冲器
如下为三态缓冲器的真值表：
Tx Data | Tx Enable | Output |
|---|---|---|
0 | 1 | 0 |
1 | 1 | 1 |
X | 0 | Z (high impedance) |
请注意，如果两个Tx En同时都为高，则两个发送器都将在驱动并且线路上将发生冲突。 使用半双工三态缓冲器时，至关重要的是，共享线路的模块必须制定出一种避免数据冲突的通信方案。
如何在VHDL和Verilog中推断出三态缓冲区
综合工具可以推断出三态缓冲器。这是在VHDL中推断三态缓冲区的方法。信号io_data 在实体的端口映射部分中声明为inout。在VHDL中，“ Z”为高阻抗。
inout io_data : std_logic; --port declaration of bidirectional data line
io_data <= w_Tx_Data when w_Tx_En = '1' else 'Z';
w_Rx_Data <= io_data;这是在Verilog中推断三态缓冲区的方法。信号io_data 在模块的端口声明部分中声明为inout。在Verilog中，1'bZ是高阻抗。
inout io_data; //port declaration of bidirectional data line
assign io_data = Tx_En ? Tx_Data : 1'bZ;
assign Rx_Data = io_data;三态缓冲器常用于半双工UART和I2C接口等电路中。它们是数字设计师了解的非常有用的工具。您应该知道如何在VHDL和Verilog中推断三态缓冲区。
参考资料
- 参考资料1[2]
- 参考资料2[3]
- 参考资料3[4]
交个朋友
- 个人微信公众号：FPGA LAB
- 知乎：李锐博恩
- FPGA/IC技术交流2020[5]
参考资料
[1]
个人博客首页: https://blog.csdn.net/Reborn_Lee
[2]
参考资料1: http://suo.im/6oGKsG
[3]
参考资料2: https://www.nandland.com/articles/tri-state-buffer-half-full-duplex.html
[4]
参考资料3: https://www.nandland.com/articles/tri-state-buffers-and-keep-hierarchy.html
[5]
FPGA/IC技术交流2020: https://blog.csdn.net/Reborn_Lee/article/details/105844330
腾讯云开发者
