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FPGA中的INOUT接口和高阻态

除了輸入輸出端口,FPGA中還有另一種端口叫做inout端口。如果需要進行全雙工通信,是需要兩條信道的,也就是說需要使用兩個FPGA管腳和外部器件連接配接。但是,有時候半雙工通信就能滿足我們的要求,理論上來說隻需要一條信道就足夠了,而FPGA上實作這一功能的管腳就是inout端口。管腳相連時,input對應output,是以inout隻能和inout連接配接(否則就不是inout了)。本文将概述FPGA的inout端口。

1. 三态門

    三态門,故名思議就是這個期間具有三種狀态。對于數字電路來說,三種狀态是高電平、低電平和高阻态。Xilinx的《XST User Guide》上給出了三态門的Verilog HDL(以及VHDL)的描述,具體如下:

FPGA中的INOUT接口和高阻态
1 // Tristate Description Using Concurrent Assignment
 2 
 3 // Combinatorial Always Block Can be Used too.
 4 
 5 module v_three_st_2 (T, I, O);
 6 
 7     input T, I;
 8 
 9     output O;
10 
11     assign O = (~T) ? I: 1’bZ;
12 
13 endmodule      

   三态門意味着,輸出端口除了輸出高、低電平之外還可以有第三種狀态,這是inout端口實作的基礎。

2. 高阻和懸空

    三态門中有一個狀态是高阻。高阻,即可以認為是沒有輸出,作為輸出端口而言,對下級電路沒有任何影響。懸空是針對輸入端口來說的,也就是說沒有接輸入。這也就意味着,實際上高阻和懸空是一個狀态,在HDL語言裡都表示為Z。

    也就是說,一個輸出端口在高阻态的時候,其狀态是由于其相連的其他電路決定的,可以将其看作是輸入。

3. INOUT

    從上一節内容中可以看出,當三态門的輸出處于高阻狀态的時候,取值由外部電路決定,也就是說,這一時刻是可以作為輸入。INOUT端口的描述和示意圖如下

1 module inout_def(clk,data_inout)
 2 input clk;
 3 inout data_inout;
 4 reg data_out; 
 5 reg data_out_control; 
 6 //define data_out
 7 
 8 //define data_out_control
 9 
10 //assign data_inout 
11 assign data_inout=data_out_control?data_out:1'bz;  
12 
13 //assign data_in
14 wire data_in;
15 assign data_in=(!data_out_control)&data_inout;
16 
17 endmodule      
FPGA中的INOUT接口和高阻态

4. PULLUP和PULLDOWN

    如果兩個INOUT都處于高阻态,那麼接收到的信号到底是什麼狀态呢?這實際上等效為兩個INPUT端口連接配接,也就等效為INPUT端口懸空。    

    這應該是取決于外圍的驅動,添加的上拉或者下拉電阻,一般而言,FPGA添加的是上拉電阻,也就意味着此時chipscope采集的資料是高電平.

    FPGA管腳内部可以配置弱上拉或下拉電阻來實作Z狀态下的控制。分别采用PULL UP和PULL DOWN限制實作,UCF、NCF文法如下

1      NET "pad_net_name" PULLUP;
2 
3     //Configures the I/O to use a Pullup constraint.
4 
5      DEFAULT PULLUP = TRUE;
6 
7     //Configures the Pullup constraint to be used globally.      

    這一部分内容有待進一步驗證。

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