verilog中双向端口inout的使用的心得

verilog中双向端口inout的使用的心得 verilog中双向端口inout的使用的心得见许多问这个问题的,一下,希望能对大家有点用处,如果有不对的地方,欢迎指出.    芯片外部引脚很多都使用inout类型的，为的是节省管腿。一般信号线用做总线等双向数据传输的时候就要用到INOUT类型了。就是一个端口同时做输入和输出。inout在具体实现上一般用三态门来实现。三态门的第三个状态就是高阻'Z'。当inout端口不输出时，将三态门置高阻。这样信号就不会因为两端同时输出而出错了,更详细的可以搜索一下三态门tri-state的资料.1  使用inout类型数据,可以用如下写法:inoutdata_inout;inputdata_in;regdata_reg;//data_inout的映象寄存器reglink_data;assigndata_inout=link_data?data_reg:1’bz;//link_data控制三态门//对于data_reg,可以通过组合逻辑或者时序逻辑根据data_in对其赋值.通过控制link_data的高低电平,从而设置data_inout是输出数据还是处于高阻态,如果处于高阻态,则此时当作输入端口使用.link_data可以通过相关电路来控制.2编写测试模块时,对于inout类型的端口,需要定义成wire类型变量,而其它输入端口都定义成reg类型,这两者是有区别的.  当上面例子中的data_inout用作输入时,需要赋值给data_inout,其余情况可以断开.此时可以用assign语句实现:assigndata_inout=link?data_in_t:1’bz;其中的link,data_in_t是reg类型变量,在测试模块中赋值.  另外,可以设置一个输出端口观察data_inout用作输出的情况:  Wiredata_out;  Assigndata_out_t=(!link)?data_inout:1’bz;else，inRTLinout  useintopmodule(PAD)dontuseinout(tri)insubmodule也就是说，在内部模块最好不要出现inout，如果确实需要，那么用两个port实现，到顶层的时候再用三态实现。理由是：在非顶层模块用双向口的话，该双向口必然有它的上层跟它相连。既然是双向口，则上层至少有一个输入口和一个输出口联到该双向口上，则发生两个内部输出单元连接到一起的情况出现，这样在综合时往往会出错。芯片外部引脚很多都使用inout类型的，为的是节省管腿。一般信号线用做总线等双向数据传输的时候就要用到INOUT类型了。就是一个端口同时做输入和输出。inout在具体实现上一般用三态门来实现。三态门的第三个状态就是高阻'Z'。当inout端口不输出时，将三态门置高阻。这样信号就不会因为两端同时输出而出错了,更详细的内容可以搜索一下三态门tri-state的资料.1使用inout类型数据,可以用如下写法:inoutdata_inout;inputdata_in;regdata_reg;                        //data_inout的映象寄存器reglink_data;assigndata_inout=link_data?data_reg:1’bz;   //link_data控制三态门//对于data_reg,可以通过组合逻辑或者时序逻辑根据data_in对其赋值.通过控制link_data的高低电平,从而设置data_inout是输出数据还是处于高阻态,如果处于高阻态,则此时当作输入端口使用.link_data可以通过相关电路来控制.2编写测试模块时,对于inout类型的端口,需要定义成wire类型变量,而其它输入端口都定义成reg类型,这两者是有区别的.当上面例子中的data_inout用作输入时,需要赋值给data_inout,其余情况可以断开.此时可以用assign语句实现:assigndata_inout=link?data_in_t:1’bz;其中的link,data_in_t是reg类型变量,在测试模块中赋值.另外,可以设置一个输出端口观察data_inout用作输出的情况:Wiredata_out;Assigndata_out_t=(!link)?data_inout:1’bz;else，inRTLinoutuseintopmodule(PAD)dontuseinout(tri)insubmodule也就是说，在内部模块最好不要出现inout，如果确实需要，那么用两个port实现，到顶层的时候再用三态实现。理由是：在非顶层模块用双向口的话，该双向口必然有它的上层跟它相连。既然是双向口，则上层至少有一个输入口和一个输出口联到该双向口上，则发生两个内部输出单元连接到一起的情况出现，这样在综合时往往会出错。对双向口，我们可以将其理解为2个分量：一个输入分量，一个输出分量。另外还需要一个控制信号控制输出分量何时输出。此时，我们就可以很容易地对双向端口建模。例子：CODE:moduledual_port(....inout_pin,....);inoutinout_pin;wireinout_pin;wireinput_of_inout;wireoutput_of_inout;wireout_en;assigninput_of_inout=inout_pin;assigninout_pin=out_en?output_of_inout:高阻;endmodule可见，此时input_of_inout和output_of_inout就可以当作普通信号使用了。在仿真的时候，需要注意双向口的处理。如果是直接与另外一个模块的双向口连接，那么只要保证一个模块在输出的时候，另外一个模块没有输出（处于高阻态）就可以了。如果是在ModelSim中作为单独的模块仿真，那么在模块输出的时候，不能使用force命令将其设为高阻态，而是使用release命令将总线释放掉很多初学者在写testbench进行仿真和验证的时候，被inout双向口难住了。仿真器老是提示错误不能进行。下面是我个人对inout端口写testbench仿真的一些总结，并举例进行说明。在这里先要说明一下inout口在testbench中要定义为wire型变量。先假设有一源代码为：modulexx(data_inout,........);inoutdata_inout;........................assigndata_inout=(!link)?datareg:1'bz;endmodule方法一：使用相反控制信号inout口，等于两个模块之间用inout双向口互连。这种方法要注意assign语句只能放在initial和always块内。moduletest();wiredata_inout;regdata_reg;reglink;initialbegin..........endassigndata_inout=link?data_reg:1'bz;endmodule方法二：使用force和release语句，但这种方法不能准确反映双向端口的信号变化，但这种方法可以反在块内。moduletest();wiredata_inout;regdata_reg;reglink;#xx;       //延时forcedata_inout=1'bx;          //强制作为输入端口...............#xx;releasedata_inout;         //释放输入端口endmodule很多读者反映仿真双向端口的时候遇到困难，这里介绍一下双向端口的仿真方法。一个典型的双向端口如图1所示。其中inner_port与芯片内部其他逻辑相连，outer_port为芯片外部管脚，out_en用于控制双向端口的方向，out_en为1时，端口为输出方向，out_en为0时，端口为输入方向。用Verilog语言描述如下：modulebidirection_io(inner_port,out_en,outer_port);inputout_en;inout[7:0]inner_port;inout[7:0]outer_port;assignouter_port=(out_en==1)?inner_port:8'hzz;assigninner_port=(out_en==0)?outer_port:8'hzz;endmodule用VHDL语言描述双向端口如下：libraryieee;useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;entitybidirection_ioisport(inner_port:inoutstd_logic_vector(7downto0);out_en:instd_logic;outer_port:inoutstd_logic_vector(7downto0));endbidirection_io;architecturebehavioralofbidirection_ioisbeginouter_port<=inner_portwhenout_en='1'else(OTHERS=>'Z');inner_port<=outer_portwhenout_en='0'else(OTHERS=>'Z');endbehavioral;仿真时需要验证双向端口能正确输出数据，以及正确读入数据，因此需要驱动out_en端口，当out_en端口为1时，testbench驱动inner_port端口，然后检查outer_port端口输出的数据是否正确；当out_en端口为0时，testbench驱动outer_port端口，然后检查inner_port端口读入的数据是否正确。由于inner_port和outer_port端口都是双向端口（在VHDL和Verilog语言中都用inout定义），因此驱动方法与单向端口有所不同。验证该双向端口的testbench结构如图2所示。这是一个self-checkingtestbench，可以自动检查仿真结果是否正确，并在Modelsim控制台上打印出提示信息。图中Monitor完成信号采样、结果自动比较的功能。testbench的工作过程为1）out_en=1时，双向端口处于输出状态，testbench给inner_port_tb_reg信号赋值，然后读取outer_port_tb_wire的值，如果两者一致，双向端口工作正常。2）out_en=0时，双向端口处于输如状态，testbench给outer_port_tb_reg信号赋值，然后读取inner_port_tb_wire的值，如果两者一致，双向端口工作正常。用Verilog代码编写的testbench如下，其中使用了自动结果比较，随机化激励产生等技术。`timescale1ns/10psmoduletb();reg[7:0]inner_port_tb_reg;wire[7:0]inner_port_tb_wire;reg[7:0]outer_port_tb_reg;wire[7:0]outer_port_tb_wire;regout_en_tb;integeri;initialbeginout_en_tb=0;inner_port_tb_reg=0;outer_port_tb_reg=0;i=0;repeat(20)begin#50i=$random;out_en_tb=i[0];//randomizeout_en_tbinner_port_tb_reg=$random;//randomizedataouter_port_tb_reg=$random;endend//****drivetheportsconnectingtobidirction_ioassigninner_port_tb_wire=(out_en_tb==1)?inner_port_tb_reg:8'hzz;assignouter_port_tb_wire=(out_en_tb==0)?outer_port_tb_reg:8'hzz;//instatiatethebidirction_iomodulebidirection_iobidirection_io_inst(.inner_port(inner_port_tb_wire),.out_en(out_en_tb),.outer_port(outer_port_tb_wire));//*****monitor******always@(out_en_tb,inner_port_tb_wire,outer_port_tb_wire)begin#1;if(outer_port_tb_wire===inner_port_tb_wire)begin$display("\n****time=%t****",$time);$display("OK!out_en=%d",out_en_tb);$display("OK!outer_port_tb_wire=%d,inner_port_tb_wire=%d",outer_port_tb_wire,inner_port_tb_wire);endelsebegin$display("\n****time=%t****",$time);$display("ERROR!out_en=%d",out_en_tb);$display("ERROR!outer_port_tb_wire!=inner_port_tb_wire");$display("ERROR!outer_port_tb_wire=%d,inner_port_tb_wire=%d",outer_port_tb_wire,inner_port_tb_wire);endendendmodule　在写组合逻辑电路的代码时，我发现书上例子大都用的"="；而在写时序逻辑电路代码时，我发现书上例子大都用的"<="。之前就知道在VerilogHDL中阻塞赋值"="和非阻塞赋值"<="有着很大的不同，但一直没有搞清楚究竟有什么不同，现在来慢慢的琢磨它。　　对于我这样的初学者而言，首先要掌握可综合风格的Verilog模块编程的8个原则，并且牢记，才能在综合布局布线的仿真中避免出现竞争冒险现象。　　(1) 时序电路建模时，用非阻塞赋值。　　(2) 锁存器电路建模时，用非阻塞赋值。　　(3) 用always块建立组合逻辑模型时，用阻塞赋值。　　(4) 在同一个always块中建立时序和组合逻辑电路时，用非阻塞赋值。　　(5) 在同一个always块中不要既用非阻塞赋值又用阻塞赋值。　　(6) 不要在一个以上的always块中为同一个变量赋值。　　(7) 用$strobe系统任务来显示用非阻塞赋值的变量值。　　(8) 在赋值时不要使用#0延时。　　这样做的目的是为了使综合前仿真和综合后仿真一致。在很多时候，用"="或者是"<="实际上对应的是不同的硬件电路，这点一定要十分清楚。 　　阻塞赋值(=)：　　我们先做下面定义：RHS—赋值等号右边的达式，LHS—赋值等号左边的表达式。在串行语句块中，阻塞赋值语句按照它们在块中的排列顺序依次执行，即前一条语句没有完成赋值之前，后面的语句不可能被执行，换言之，后面的语句被阻塞了。阻塞赋值的执行可以认为只有一个步骤的操作，即计算RHS并更新LHS，此时不允许有来自任何其他Verilog语句的干扰。所谓阻塞的概念是指在同一个always块中，其后面的赋值语句从概念上是在前一条赋值语句结束后开始赋值的。有句话我一直没读懂：从理论上讲，它与后面的赋值语句只有概念上的先后，而无实质上的延时。　　例如：　　begin　　　　B=A;　　　　C=B+1；　　end　　首先第一条语句执行，将A的值赋给B，接着执行第二条语句，将B+1(即A加1),并赋给C。也就是说C=A+1。 　　非阻塞赋值(<=):　　非阻塞语句的执行过程是：首先计算语句块内部所有右边表达式(RHS)的值，然后完成对左边寄存器变量的赋值操作，例如，下面两条非阻塞赋值语句的执行过程是：先计算右边表达式的值并暂存在一个暂存器中，A的值被保存在一个寄存器中，而B+1的值被保存在另一个寄存器中，在begin和end之间所有语句的右边表达式都被计算并存储完后，对左边的寄存器变量的赋值才会进行。这样C得到的是B的原始值而不是A加一。　　begin　　　　B<=A；　　　　C<=B+1;　　end 　　如果我们想让两个最基本的D触发器串联，我们用阻塞和非阻塞赋值看看结果有什么不同　　阻塞和非阻塞的不同造成了电路上巨大的不同，因此他们的差别应该牢记。　　我们在从仿真(Simulation)的角度去看一下，在输出结果上有造成什么样的不同，我们有同样的的testbench。 代码1`timescale1ps/1ps2 moduleblocking_vlg_tst();34 regclk;5 regiD;6//wires7wireoQA;8wireoQB;910//assignstatements(ifany)11blockingi1(12//portmap-connectionbetweenmasterportsandsignals/registers13.clk(clk),14.iD(iD),15.oQA(oQA),16.oQB(oQB)17);18initial19begin20clk=1'b0;21iD=1'b0;22end2324always#10clk=(~clk);2526always27begin28#8iD=(~iD);29end30endmodule31 　　仿真波形如下：　　可以看到，在阻塞赋值的情况下当时钟上升沿来的时候读取输入iD的值，并且输出oQA和oQB的值应该是一样的，从波形中我们可以看出输出oQA和oQB的波形是完全一样的。　　在非阻塞赋值的情况下，它是先计算iD和oQA的值，开始iD的值为1,oQA的值是不定的，所以oQA被赋为1,而oQB还是被赋为不定值，两者的波形不一致。 阻塞和非阻塞的学习随着以后的深入还得深刻理解，在用时要遵循，避免麻烦。