【FPGA至简设计原理与应用】第一篇 第三章硬件描述语言Verilog第5节高组态

明德扬肖老师

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5.2.4高阻态

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1.本节主要进行组合逻辑的介绍，包括：程序语句（assign语句、always语句），数字进制（二进制、不定态、高阻态），算数运算符（加、减、乘、除运算符），逻辑运算符（逻辑与、或、非运算符），按位逻辑运算符（单目按位与、或、非运算符，双目按位与、或、异或运算符），关系运算符，移位运算符（左移、右移运算符），条件运算符（三目运算符、if语句、case语句、选择语句等），拼接运算符；
2. ALTERA和VIVADO文档

Z态，一般称之为高阻态，表示设计者不驱动这个信号（既不给0也不给1），通常用于三态门接口当中。

上图就是三态总线的应用案例，图中的连接总线对于CPU和FPGA来说既为输入又为输出，是双向接口。一般的硬件电路中会将该线接上一个上拉电阻（弱上拉）或下拉电阻（弱下拉）。

当CPU和FPGA都不驱动该总线时，A点保持为高电平。当FPGA不驱动该总线，CPU驱动该总线时，A点的值就由CPU决定。当CPU不驱动该总线，FPGA驱动该总线时，A点的值就由FPGA决定。但FPGA和CPU不能同时驱动该总线，否则A的电平就不确定了，通常FPGA和CPU何时驱动总线是按事先协商的协议进行工作。

上图是典型的I2C的时序。I2C的总线SDA就是一个三态信号。I2C协议已规定好上面的时间中，哪段时间是由主设备驱动，哪段时间是由从设备驱动，双方都要遵守协议，不能存在同时驱动的情况。那么FPGA在设计中是如何做到“不驱动”这一行为呢？这是因为FPGA内部有三态门。

三态门是一个硬件，上图是它的典型结构。三态门有四个接口，如上图所示的写使能wr_en、写数据wr_data、读数据rd_data以及与外面器件相连的三态信号data。

需要注意的是写使能信号，当该信号有效时三态门会将wr_data的值赋给三态线data，此时data的值由wr_data决定，当wr_data为0时data值为0；当wr_data为1时data值为1。而当写使能信号无效时，则不论wr_data值是多少都不会对外面的data值有影响，也就是不驱动。

在Verilog中以上功能是通过如下代码实现的：

1    2

assign data    = (wr_en==1)?wr_data:1'bz;    assign rd_data = data;

当综合器看到这两行代码则知道要综合成三态门了，高阻z的作用正在于此。此外可以注意到硬件上用三态线是为了减少管脚，而在FPGA内部没有必要减少连线，所以使用三态信号是没有意义的。因此，笔者建议各位读者在进行设计时不要在FPGA内部使用高阻态“z”，因为没有必要给自己添加“思考”的麻烦。当然，如果设计中使用了高阻态也不会报错，也可以实现功能。

总的来说高阻态“z”是表示“不驱动总线”这个行为，实际上数字电路就是高电平或者低电平，不存在其他电平的情况。