FPGA基础知识极简教程（8）详解三态缓冲器

---

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
• 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
• 参考资料2
• 参考资料3

---

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