在FPGA設計中，雙向IO（輸入輸出引腳）是一個比較麻煩的東西，但是信號線用作總線等雙向數據傳輸時就要用到inout類型。

以下用液晶的的數據線用作雙向IO示例：

說是雙向IO端口，其實輸入和輸出不是同時進行的，需要有一個控制信號out_en來控制端口什么時候為輸出，什么時候為輸入。

那這里就需要引入一個三態門結構電路。

三態門結構

那么三態門的結構是怎樣的呢？

三態門電路的輸出結構和普通門電路的輸出結構有很大的不同，因為它在電路中增加了一個輸出控制端EN。

由上圖看出，在單相三態門中，當EN=1時，對原電路無影響，電路的輸出符合原來電路的所有邏輯關系，即A可以輸出到B。當EN= 0時，電路內部的所有輸出與外部將處于一種關斷狀態。

因此，當FPGA的信號線存在雙向IO時，可以有兩個三態門來控制，一個控制輸出，一個控制輸入，結構如下：

當ENout=1，ENin=0時，雙向三態門的電路傳輸方向是A->B；
當ENout=0，ENin=1時，雙向三態門的電路傳輸方向是B->A；

模型分析

下面簡單做個簡易模型來說明雙向IO如何分別實現作為輸入端口和輸出端口的功能，模塊圖如下：

模型引腳定義

（1）輸入口A定義：當雙向端口dinout作為輸出口時，我們將A端口輸入數據傳到模塊中，讓數據從dinout口出來。

（2）輸出端口B定義：當當雙向端口dinout作為輸入口時，我們將dinout端口輸入數據傳到模塊中，讓數據從B口出來。

（3）EN控制信號定義：當EN=1時，開通三態門，將dinout作為輸出口使用，當EN=0時，把三態門置為高阻態，這時dinout作為輸入口用。

代碼展示

編譯分析后查看RTL視角邏輯電路，符合原有模型設計。

總結說明

（1）FPGA內部不允許傳遞雙向IO信號，只有FPGA對外部才能定義為雙向IO端口，即只有在頂層輸出的信號才可以被賦值為高阻態。

（2）在結構化建模的過程中，一個模塊一個功能的建模，當涉及到內部模塊的端口是雙向IO端口時，然后根據一個雙向IO對應一個輸入，一個輸出和一個使能控制，把模塊中雙向IO的輸出用輸出端口代替，雙向IO的輸入用輸入端口代替，引出使能信號，并把對應assign中賦值的高阻態z根據實際情況給出0或1，來解決FPGA內部雙向IO連接問題。

審核編輯 ：李倩