三态(tri-state)门、双向(bi-directional)端口的建模、仿真和综合

1. 概要

2. 三态门

2.1 概念

2.2 三态门建模

1. 概要

双向端口顾名思义是一种既可以作为输入端口接收数据,也可以作为输出端口发出数据,它对数据的操作是双向的。比如某个设计需要一个 16 位的数据输入口和一个16 位的数据输出口,并且数据输入和输出不会同时发生。如果数据输入口和输出口分别设计则需要32根数据线,而用双向端口来设计,则只需要16根数据线,这样就节省了16根数据线引脚。在很多情况下，芯片端口是宝贵的设计资源，而且芯片间的连线少对于板级设计也非常有利。因此，双向端口常用于芯片间需要进行半双工双向通信的场合，可以节省一半芯片端口以及减少板上芯片间连接的走线。

常见的一些例子有：

. I2C总线中的SDA信号线

. AXI总线中的数据线

. JESD207接口中的数据线DIQ、等等

在电路层面，双向端口是通过三态缓冲器（也称三态门）控制实现的。在数字电路中，逻辑输出有两个正常态：低电平状态（逻辑0）和高电平状态（逻辑1），此外，电路还有不属于0和1的高阻态（逻辑Z）。所谓高阻，即输出端处于浮空状态，只有很小的漏电流流动，其电平随外部电平的高低而定，门电平放弃对输出电路的控制，或者可以理解为输出和电路是断开的。

2. 三态门

2.1 概念

在数字电路中，逻辑输出有两个正常态：低电平状态（对应逻辑0）和高电平状态（对应逻辑1）；此外，电路还有不属于0和1状态的高阻态（对应逻辑Z ）。所谓高阻，即输出端属于浮空状态，只有很小的漏电流流动，其电平随外部电平高低而定，门电平放弃对输出电路的控制。或者可以理解为输出与电路是断开的。最基本的三态缓冲器的逻辑符号如下图：

当OE为高电平时，Dataout与Datain相连，数据流向是从Datain向Dataout；而OE为低时，Dataout为高阻态，相当于与Datain之间的连线断开，此时可以从外部向Dataout驱动信号，实现相反方向的数据流向。

2.2 三态门建模

三态门的RTL描述方式有以下两种等价的方式。

// Tristate Description Using Combinatorial Always Block
// File: tristates_1.v
//
module tristates_1 (OE, I, O);
input OE, I;
output O;
reg O;
always @(OE or I)
begin
if (OE)
O = I;
else
O = 1'bZ;
end
endmodule

// Tristate Description Using Concurrent Assignment
// File: tristates_2.v
//
module tristates_2 (OE, I, O);
input T, I;
output O;
assign O = (OE) ? I: 1'bZ;
endmodule

3. 双向端口

通常两种双向端口建模的方法。

第一种是直接用HDL语言进行行为级描述，基于以上三态门的RTL描述，稍作修改即可。另一种则是直接调用元件库（cell library）中的模块，比如说Xilinx FPGA中的IOBUF等。后者通常只用于在纯粹的FPGA开发（即FPGA实现就是最终实现）中，在芯片开发中，应该采用第一种，如果采用第二种描述的话，将会导致FPGA综合代码与芯片实现代码不一致，并导致FPGA原型验证的有效性受损，这是应该尽量避免的。

3.1 HDL语言描述

以下为双向端口的两个行为级描述的module例。其中第一个有时钟控制，以同步于时钟沿的方式工作，第二个是存粹的组合逻辑描述方式。前者从综合时序的角度来说会更好一些。

module BIDIR_CLKED
#(
parameter P_WIDTH = 6'd1 //
)
(
input CLK ,
input OE , // 1: Output port; 0: Input port
input [P_WIDTH-1:0] DIN ,
output [P_WIDTH-1:0] DOUT ,
inout [P_WIDTH-1:0] BIDIR
);
reg [P_WIDTH-1:0] din_reg;
reg [P_WIDTH-1:0] dout_reg;
assign BIDIR = OE ? din_reg : {P_WIDTH{1'bZ}};
assign DOUT = dout_reg;
// Pipelining
always @ (posedge CLK)
begin
din_reg <= DIN;
dout_reg <= BIDIR;
end
endmodule

module BIDIR
#(
parameter P_WIDTH = 6'd1 //
)
(
input CLK ,
input OE , // 1: Output port; 0: Input port
input [P_WIDTH-1:0] DIN ,
output [P_WIDTH-1:0] DOUT ,
inout [P_WIDTH-1:0] BIDIREC
);
assign BIDIREC = OE ? DIN : {P_WIDTH{1'bZ}}; // DIN --> BIDIREC
assign DOUT = {P_WIDTH{~OE}} & BIDIREC; // BIDIREC --> DOUT
endmodule

3.2 直接调用元件库中的模块

不管是FPGA还是ASIC其标准单元库中通常都会包含双向端口单元。以Xilinx为例，它提供了IOBUF单元（另外，还有IOBUF_DIFF_OUT、IOBUFDS等），IOBUF的符号、真值表如下所示（参见UG768）：

以下是两个直接实例化IOBUF的代码例。第一个是1比特的双向端口的IOBUF实例化；第二个是一个多比特的双向总线模块，在该模块中实例化了多个IOBUF。

3. 仿真

以下案例取自于一个实际的JESD207接口设计，JESD207接口中DIQ信号线是双向信号线。上半部分代码是DUT中实例化BIDIR_CLKED实现双向端口JESD207.DIQ；下半部分为testbench中的处理。

// ***************************************************************************
//BIDIR instantiation in DUT
wire [11:0] diq_tx;
wire [11:0] diq_rx;
assign diq_rx = ...;
BIDIR_CLKED #(12) u_BIDIR_CLKED
(
.CLK (CLK ),
.OE (DIQ_OE ), // 0: RX; 1: TX
.DIN (diq_tx ),
.DOUT (diq_rx ),
.BIDIREC(DIQ )
);
// ***************************************************************************
//Signal assignment in testbench.
logic diq_oe; // Connect to DUT.DIQ_OE port
wire [11:0] tx_diq;
wire [11:0] rx_diq;
wire [11:0] diq; // Connect to DUT.DIQ port
assign diq = diq_oe ? {12{1'bZ}}: rx_diq;
assign tx_diq = diq;
// ***************************************************************************

需要注意的是，在testbench中，对应于DIQ的信号需要定义成wire类型。此外，对于双向端口/信号的描述，在DUT和testbench中是互补的。如以上代码例所示，由当DUT.DIQ在DIQ_OE的控制下作为输出端口使用，testbench中则应该是要作为输入信号处理，即接收DUT输出的信号；反之，当DUT.DIQ在DIQ_OE的控制下作为输入端口使用，testbench中则应该是要作为输出信号处理，即对DIQ信号进行驱动赋值。

4. 综合

如上所述，作为芯片设计的FPGA原型验证时，应该使用行为级的方式描述双向端口。但是如何确认描述是否正确呢？一般来说仿真当然可以在很大程度确认这一点，但是更为直接方式是针对综合生成电路进行直接确认，确认综合工具是否正确地将行为级描述正确地推断(infer)为IOBUF。

以上所述的JESD207接口的Vivado综合为例，在综合结束后，从Vivado界面点击SynthesisàOpen Synthesized DesignàSchematic打开综合生成的电路图，可以找到如下图所示的对应JESD_DIQ接口电路图。从图中可以明确地看出JESD207接口的DIQ端口被正确地推断为IOBUF。