基于Verilog HDL的并口總線設(shè)計與仿真

李高峰

摘 要：本文介紹了FPGA/CPLD作為外設(shè)掛接在MCU并口總線上的工作原理，使用Verilog HDL進(jìn)行了模塊化設(shè)計，并進(jìn)行了仿真驗證，還指出了使用雙向端口（inout）和三態(tài)門（tri）應(yīng)注意的問題，以期為相關(guān)學(xué)者提供參考。

關(guān)鍵詞：Verilog HDL；并口總線；三態(tài)門

中圖分類號：TP302 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）02-0027-03

Design and Simulation of Parallel Bus Based on Verilog HDL

LI Gaofeng

（Qingdao Ainuo Intelligent Instrument Co.， Ltd.， Qingdao Shandong 266101）

Abstract： This paper introduced the working principle of FPGA/CPLD as an external device mounted on MCU parallel port bus， modularized design with Verilog HDL， and carried out simulation verification. It also pointed out the problems that should be noticed when using two-way port （inout） and three state gate （tri）， in order to provide reference for relevant scholars.

Keywords： Verilog HDL； parallel bus；tri

目前，F(xiàn)PGA/CPLD的應(yīng)用越來越多，在和MCU組成數(shù)字系統(tǒng)時，有時需要把FPGA/CPLD作為外設(shè)掛接在MCU的并口總線上，這既可提高數(shù)據(jù)交換速度，又可節(jié)省引腳。此時，MCU作為主設(shè)備，其并口總線包括：單向的地址線、單向的讀寫控制線、雙向的數(shù)據(jù)線。而FPGA/CPLD作為外設(shè)（可能還有其他外設(shè)），實現(xiàn)正確地掛接在總線上，既要準(zhǔn)確接收、發(fā)送數(shù)據(jù)，又要不影響其他外設(shè)，就顯得非常重要[1]。

本文通過例程，說明如何設(shè)計基于Verilog HDL的并口總線[2，3]。所用的軟件平臺為ise_13.2和modelsim_se_10.0，硬件平臺為xc6slx9。

1 系統(tǒng)原理

1.1 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，其中：①前綴“i_、iv_”表示輸入（input），“o_、ov_”表示輸出（output），“io_、iov_”表示輸入/輸出（inout），“w_、wv_”表示網(wǎng)線（wire）；②后綴“_n”，表示低電平有效；③u1、u2為v74377元件例化，寄存器（reg），類似74hc377的功能；④u3、u4為v8tri元件例化，三態(tài)門（tri），類似74hc244的功能；⑤i_mcu_cs1_n、i_mcu_cs2n，來自mcu的片選地址線；⑥i_mcu_rd_n、i_mcu_wr_n，來自mcu的讀、寫控制線；⑦iov_mcu_d[7：0]，來自mcu的雙向數(shù)據(jù)線；⑧ov_qa[7：0]、ov_qb[7：0]和mcu無關(guān)，用于仿真觀察；⑨輸入、輸出，要對于具體模塊而言，如wv_qa[7：0]是u1的輸出，是u3的輸入。

1.2 工作原理

該系統(tǒng)是掛接mcu總線的簡化模型，其工作原理如下。

①空閑時，u3、u4均輸出高阻態(tài)z，與數(shù)據(jù)線隔離，避免影響總線。

②u1、u2一直掛在數(shù)據(jù)線上，隨時準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)：當(dāng)i_mcu_wr_n和i_mcu_cs1_n有效時，u1接收數(shù)據(jù)并輸出到wv_qa[7：0]，并保持到下次有效再更新數(shù)據(jù)；當(dāng)i_mcu_wr_n和i_mcu_cs2_n有效時，u2接收數(shù)據(jù)并輸出到wv_qb[7：0]，并保持到下次有效再更新數(shù)據(jù)。

③當(dāng)i_mcu_rd_n和i_mcu_cs2_n有效時，u3接通總線，把wv_qa[7：0]發(fā)送到總線上，由mcu接收；當(dāng)i_mcu_rd_n和i_mcu_cs1_n有效時，u4接通總線，把wv_qb[7：0]發(fā)送到總線上，由mcu接收。

④非常重要的是，同一時刻，數(shù)據(jù)總線上只允許有一個發(fā)送方（含mcu）發(fā)送數(shù)據(jù)，不發(fā)送的發(fā)送方必須輸出高阻態(tài)z，以與總線隔離，否則數(shù)據(jù)將陷入混亂；但可以有多個接收方同時接收數(shù)據(jù)。

⑤應(yīng)注意，輸入/輸出、三態(tài)門（tri），最好只在頂層（top）使用，底層模塊不要使用，可使用獨立的輸入（input）、輸出（output）。

⑥還可用另一種設(shè)計方案，先用多路選擇器（mux）選出數(shù)據(jù)源，如wv_qa[7：0]、wv_qb[7：0]，之后經(jīng)過一組三態(tài)門掛接在總線上，這樣可節(jié)省三態(tài)門資源。

2 模塊設(shè)計

系統(tǒng)分為底層模塊（v74377、v8tri）和頂層模塊（top）。

2.1 頂層模塊

2.1.1 v74377模塊。該模塊功能類似74hc377，源程序如下：

module v74377（

input i_clk， input i_clken_n，

input [7：0] iv_d， output [7：0] ov_q）；

reg [7：0] q；

always @（ posedge i_clk ）

if（ ！i_clken_n ） q <= iv_d；

assign ov_q = q；