双向IO与IOB详解

典型的全双工（Full Duplex）系统如下图所示，芯片1和芯片2之间有彼此独立的数据传输线，这意味着芯片1和芯片2可以同时给对方发送数据而不会发生冲突。SPI/UART采用的就是全双工通信方式。半双工系统则不同，芯片1和芯片2之间只有一条专用的且被彼此共享的数据传输线。这就要求芯片1和芯片2必须协商好，当前谁发送数据，谁接收数据。如果两者同时发送数据就会导致发送冲突，从而造成数据丢失。I2C采用的就是半双工通信方式。

在上面两张图片中，其中的三角形代表输入/输出缓冲器（IBUF/OBUF），在半双工系统中，多了一个控制信号TxEn，该信号控制的是三态缓冲器。这里我们先看一下三态缓冲器的真值表，如下图所示。可以看到TxEn为1时三态缓冲器输出等于输入，为0时，输出为高阻。当芯片1和芯片2的TxEn均为高时，两者均会驱动数据传输线发送数据，造成冲突。这在半双工系统中是一定要避免的。

无论是VHDL还是Verilog/SystemVerilog，都提供了相应的语句描述三态缓冲器，而综合工具也可将其正确地推断出来。下面给出了三态缓冲器对应的VHDL代码和Verilog代码。其中io_data被声明为双向信号。需要注意的是尽管VHDL不区分大小写，但高阻态则必须用大写Z来表示，Verilog中大小写均可。

VHDL代码

Verilog/SystemVerilog代码

当前主流的FPGA结构中，三态缓冲器只存在于IOB（Input/Output Block）中。因此，对应的双向IO一定要放在设计的顶层、。如果在子模块中使用了三态缓冲器，如下图的I2C子模块，因为综合工具判断其出现在子模块中，所以会将三态缓冲器移除使其成为普通输出，从而造成功能错误。

我们看一个案例，相应的VHDL代码和SystemVerilog代码如下图所示。双向端口bio均通过关键字inout定义。bio作为输入时和信号b相关，作为输出时和信号a相关。信号a由寄存器输出，信号b连接输出寄存器的输入端。这两组寄存器都可以放置在IOB内。

通过如下图所示约束可将这两组寄存器放置在IOB内，这里属性IOB的作用对象是通过命令get_cells获取的寄存器对象。通过命令report_datasheet可查看是否放置成功。如显示FDRE(IO)则说明该寄存器在IOB内。

也可以通过report_io_reg查看寄存器是否在IOB内。