6.Inout双向端口信号处理方法

Verilog中inout端口的使用方法

（本文中所有Verilog描述仅为展示inout端口的用法，实际描述则需要更丰富的功能描述）

Inout端口的使用

在芯片中为了管脚复用，很多管脚都是双向的，既可以输入也可以输出。在Verilog中即为inout型端口。Inout端口的实现是使用三态门，如FPGA中的管脚复用部分：

三态门的第三个状态是高阻态Z。在实际电路中高阻态意味着响应的管脚悬空、断开。当三态门的控制信号为真时，三态门导通；控制信号为假时，三态门的输出端是高阻态。

Verilog中的inout端口被综合为如下形式：

Inout端口是一个很容易出错的地方，理解inout端口模型必须要抓住三点：

1. inout端口不可能独立存在；
2. 作为输入必须有reg型缓冲（一个inout两个控制信号）；
3. 相连的两个inout端口由一对信号交错控制；

下面一一分析。

1. inout端口不可能独立存在：

分析inout的端口特性，对于一个模块来说，inout端口既可以当做输入，又可以当做输出，那么，与inout端口相连的另一模块是什么情形呢？显然，另一模块也应该是inout端口，inout端口不可能独立存在。但是在实际编写Verilog代码的过程中，却常常忽略这一点，而仅仅是另一模块的一条输出线和一条输入线同时连接到inout端口上，乍看起来符合逻辑，实则不然。

以下图为例：

图中的存储器Memory用ＲＡＭ实现，无论CPU还是RAM都只有一组数据总线，而图中输入给Memory的有WriteData，从Memory输出的有MemData，这两组其实是一组数据总线，而实现此管脚复用功能的就是管脚复用。在用Verilog描述的过程中，只考虑CPU的数据通路结构时，就容易忽略它的双向端口的具体实现，并非如图中一般，简简单单的与RAM模块的inout端口相连。所以，一定要注意到inout端口不能独立存在，用Verilog描述上图中的CPU模块时也要描述一个inout端口及相关逻辑。

1. 作为输入必须有reg型缓冲：

考虑到这种情况：当control信号为真时，三态门导通，这时，DataOut的输出通过双向端口传输到DataBus上。但是DataIn与DataOut直接相连，如何保证DataOut的数据不会影响到DataIn相连的电路呢？

解决这个问题的办法是把DataIn声明为reg型，而reg型的变量在always过程块中被复制，需要再增加一个控制信号，由always敏感表列监控，以此保证inout端口作为输出时不会影响DataIn。

实际用Verilog描述的过程中，常常容易忽略某一个inout端口的reg声明。以CPU和ＲＡＭ为例，RAM本身作为存储器就是用reg声明的，所以不需要这个reg缓冲（前提是写RAM时一定要在always敏感表列中添加控制信号）；而CPU模块的inout端口的reg声明却常常被忽略，因为这个东西看上去"画蛇添足"。这也是初学者使用inout端口时最容易犯错的地方。

1. 相连的两个inout端口由一对信号交叉控制：

前面提到inout端口不能独立存在，进一步考虑，当一个模块的inout端口作为输出时，那么另一个模块的inout端口必然作为输入；反之，当一个模块的inout端口作为输入时，那么另一个模块的inout端口必然作为输出。因此，这两个inout端口的控制信号实际上是由一对信号交叉控制。

以下图为例：

CPU控制读写RAM的信号有一对：ReadRAM和WriteRAM。

当ReadRAM有效时，CPU从RAM中读取数据，这时RAM的三态门导通，RAM的inout端口作为输出用，CPU的inout端口作为输入用，并且用ReadRAM信号控制CPU读取；

当WriteRAM有效时，CPU向RAM写入数据，这时CPU的三态门导通，CPU的inout端口作为输出用，RAM的inout端口作为输入用，并且用WriteRAM信号控制RAM写数据。

理解inout端口的实现，并且注意到上面三点，就可以开始用Verilog描述inout端口了。进行抽象：

1.三态门及其高阻态的实现（输出）：

Inout DataBus；

Assign DataBus=（Control[0]==1）？DataOut：32'bz；//位宽由实际情况决定

2.输入缓冲（输入）：

Reg DataIn;

Always @（Control[1]）

    If（Control[1]）

        DataIn<=DataBus；

下面给出真正的inout端口的应用描述，仍以上图中CPU和RAM为例（注意到RAM中没有声明reg型缓冲而CPU则显示声明reg型缓冲，以及两个模块中的一对控制信号的交叉）：

module DRAM(DataBus,AddressBus,ReadRAM,WriteRAM);

inout [31:0]DataBus;

input [9:0]AddressBus;

input ReadRAM,WriteRAM;

reg [31:0]RAM[0:1023];

parameter insfile="InstructionFile.txt",

datafile="DataFile.txt";

initial

begin

$readmemh(insfile,RAM,0);

$readmemh(datafile,RAM,512);

End

assign DataBus=(ReadRAM==1)? RAM[AddressBus]:32'bz;

always @(WriteRAM or DataBus)

if(WriteRAM)

RAM[AddressBus] =DataBus;

Endmodule

//仅仅为了说明inout端口用法，真实的CPU描述远非如此

module CPU(DataBus,AddressBus,ReadRAM，WriteRAM,Clock,Reset);

inout [31:0]DataBus;

output [9:0]AddressBus;

output ReadRAM，WriteRAM;

input Clock,Reset;

reg [31:0]DataRead;

assign DataBus=(WriteRAM==1)?DataWrite:32'bz;

always @(ReadRAM)

if(ReadRAM)

DataRead=DataBus;

//CPU中以后的代码就是用DataRead和DataWrite来完成和RAM的数据交换

endmodule

误解：用一对相反的信号控制两个inout端口实现双向传输。

造成这种误解的原因是在两个module中的inout端口中，三态门不可能同时导通，默认两个三态门总是一个导通另一个不导通，忽略了两个都不导通的情况。所以在实际电路中，用于控制两个inout端口的，必然是一对控制信号的交叉形式。

Inout端口的仿真

有关包含inout端口模块的单独仿真和inout端口的应用情况类似，只不过两个模块间的关系不同，需要做一下变动。

Testbench作为最顶层模块，是没有端口列表的，也就不可能为其声明一个inout端口。如前所述，inout端口不可能独立存在。这时候，虽然不能声明一个inout端口，但是可以描述一个和inout端口有相同功能的逻辑。

把inout端口拆分为两个连在一起的输入端口和输出端口，如下图所示。在testbench中，用于给实例输入的信号是reg型，从实例输出的信号被声明为wire型，而inout端口本身必须被声明为wire型。因此，需要定义一个wire型的TestOut和reg型的TestIn。Testbench的目的是为了测试模块的功能而不是跟模块交换数据，因此，在testbench中的"类inout端口"没有真正的inout端口那么多约束。唯一需要注意的是reg型的TestIn向inout被测试模块的inout端口写数据时需要有一个控制信号，这个控制信号就是被测模块内部的WriteRAM。

这样，用于测试上面的RAM模块的Verilog描述如下：

`include "DRAM.v"

module test;

reg [9:0]AddressBus;

reg Read,Write;

wire [31:0]DataBus,TestOut;

reg [31:0]TestIn;

DRAM dram(DataBus,AddressBus,Read,Write);

assign DataBus=(Write==1)?TestIn:32'bz;

assign TestOut=(Read==1)?DataBus:32'bz;

initial

begin

Write=1'b0;Read=1'b0;AddressBus=1'b0;TestIn=1'b0;

#100 Write=1'b1;AddressBus=10'd4;TestIn=32'd64;

#10 Write=1'b0;

#10 Read=1'b1;AddressBus=10'd8;

#30 $stop;

end

endmodule

进一步考虑，testbench中的"inout端口"本身已被声明为wire类型，显然wire型的TestOut就失去了意义，可以将它们合并：wire型的inout足以显示输出信号的变化。最终的testbench模型如下：

改进后的testbench用Verilog描述为：

`include "DRAM.v"

module test;

reg [9:0]AddressBus;

reg Read,Write;

wire [31:0]DataBus;

reg [31:0]TestIn;

DRAM dram(DataBus,AddressBus,Read,Write);

assign DataBus=(Write==1)?TestIn:32'bz;

initial

begin

Write=1'b0;Read=1'b0;AddressBus=1'b0;TestIn=1'b0;

#100 Write=1'b1;AddressBus=10'd4;TestIn=32'd64;

#10 Write=1'b0;

#10 Read=1'b1;AddressBus=10'd8;

#30 $stop;

end

endmodule

总线上的inout端口

实际应用中最常见的应用inout端口的地方是总线，如数据总线、控制总线、地址总线，而总线绝大多数都是双向总线，挂接在总线上的部件往往很多。如果总线上只挂接了两个部件，这种情况就是前面描述的两个inout端口相连接的问题。但是总线上挂接的部件往往很多，这时候应该怎么Verilog描述呢？

其实原理是一样的，最基本的原则就是：

在同一时刻，一条总线上最多只能有一个inout端口作为输出部件。

换句话说，即是在某一时刻，一条总线上最多有一个inout端口作输出，其余的部件要么作为输入部件，要么就是高阻态。这样才能避免数字电路中一个很尴尬的问题：多驱动。

因此，在描述总线的时候，挂接在总线上的部件只要注意到上面的规则避免多驱动，即可实现所需的功能。