FPGA之IO信號類型深入理解

　　在FPGA設計開發中，很多場合會遇到同一根信號既可以是輸入信號，又可以是輸出信號，即IO類型（Verilog定義成inout）。

　　對於inout型的信號，我們既可以使用FPGA原語來實現，也可以使用Verilog代碼來實現。下面將介紹在Xilinx 7系列FPGA上兩種實現方式的差別和注意點。

　　不管哪種方式實現IO功能，從編譯結果看都會調用IOBUF原語，為此，我們先來看一下IOBUF的結構，如下圖所示。

　　1.FPGA原語實現

　　首先，我們編寫的代碼如下：

`define PRIMITIVE 

module io_buf(
    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

　　該代碼通過原語IOBUF實現IO功能，使用Vivado編譯后的原理圖如下圖所示。可以看到IOBUF內部由OBUFT和IBUF原語構成。

　　2.使用Verilog實現

　　把`define PRIMITIVE注釋掉，則為通過Verilog的實現方式，如下圖：

//`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

　　該代碼使用Vivado編譯后的原理圖如下圖所示。該實現方式也會調用IOBUF原語，但多消耗了一個LUT資源。

　

　　通過Verilog實現時，我們在把IO信號當成輸入時給賦值高阻態（1‘bz）。假如我們把此時的IO信號賦值1‘b0或者1‘b1，會出現什么情況呢？我們把1‘bz寫成1‘b1，如下所示：

//`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'b1;
    assign O  = IO;
`endif
    
endmodule

　　編譯后的原理圖如下，可以看到並不會調用IOBUF原語，IO的不能實現輸入功能，這就是解釋了為什么在使用Verilog實現一根信號的IO功能時需要賦值1‘bz。