基于Verilog HDL的并口總線設計與仿真

李高峰

摘 要：本文介紹了FPGA/CPLD作為外設掛接在MCU并口總線上的工作原理，使用Verilog HDL進行了模塊化設計，并進行了仿真驗證，還指出了使用雙向端口（inout）和三態門（tri）應注意的問題，以期為相關學者提供參考。

關鍵詞：Verilog HDL；并口總線；三態門

中圖分類號：TP302 文獻標識碼：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，FPGA/CPLD的應用越來越多，在和MCU組成數字系統時，有時需要把FPGA/CPLD作為外設掛接在MCU的并口總線上，這既可提高數據交換速度，又可節省引腳。此時，MCU作為主設備，其并口總線包括：單向的地址線、單向的讀寫控制線、雙向的數據線。而FPGA/CPLD作為外設（可能還有其他外設），實現正確地掛接在總線上，既要準確接收、發送數據，又要不影響其他外設，就顯得非常重要[1]。

本文通過例程，說明如何設計基于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 系統原理

1.1 系統模型

系統模型如圖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的雙向數據線；⑧ov_qa[7：0]、ov_qb[7：0]和mcu無關，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z，與數據線隔離，避免影響總線。

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

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

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

⑤應注意，輸入/輸出、三態門（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還可用另一種設計方案，先用多路選擇器（mux）選出數據源，如wv_qa[7：0]、wv_qb[7：0]，之后經過一組三態門掛接在總線上，這樣可節省三態門資源。

2 模塊設計

系統分為底層模塊（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；