【INOUT端口】 - 技术栈

inout端口

[1 使用场景](#1 使用场景)
[2 内部模块禁用INOUT](#2 内部模块禁用INOUT)
[3 使用要点](#3 使用要点)
[4 验证要点](#4 验证要点)
[4 什么是芯片I/O PAD](#4 什么是芯片I/O PAD)

inout端口--module端口除了input和output接口，还有就是较为常用的inout端口；
在具体Verilog设计中，inout端口用于实现双向数据传输，即可以作为输入，也可以作为输出；
具体综合成电路就是所谓的三态门；第三态就是高阻态（类似断开连接，不驱动信号线）；
inout引脚：
输出模式：使能三态门，驱动外部信号；
输入模式：高阻态，读取外部信号，

1 使用场景

使用场景：主要使用在芯片的顶层引脚PIN，而极少用于内部模块间的信号连接。主要是为了减少芯片封装的引脚数量(QFP-64仅仅有64个PIN)；

2 内部模块禁用INOUT

多驱动源易导致短路；I/O总线仲裁；
时序收敛：方向切换路径较难满足建立/保持时间； I/O PAD单元预制缓冲；
物理布局：标准单元库无专用三态门；I/O专用库支持；

3 使用要点

1.inout端口必须声明为wire类型；

2.使用assign语句赋值：inout端口的赋值必须使用assign语句，不能在always块中赋值；

3.使用专门三态表达式：根据控制信号来选择具体的值或者高阻态；

verilog 复制代码

module top_chip (
    inout [7:0] GPIO,     // 双向引脚
    input       GPIO_DIR  // 方向控制
);

    // 三态驱动器（仅连接I/O Pad）
    assign GPIO = GPIO_DIR ? internal_tx_data : 8'bz;

    // 输入接收器
    always @(posedge clk) begin
        internal_rx_data <= GPIO;
    end

    // 内部模块仅用单向信号
    core_module u_core (
        .data_in(internal_rx_data),
        .data_out(internal_tx_data),
        .dir(GPIO_DIR)
    );
endmodule

4 验证要点

对SoC验证来说，面对顶层INOUT的端口，在进行验证时，需特别注意什么：

我们正在处理一个可能被用作INOUT端口的信号waddr.在验证中，对INOUT端口施加激励需要特别注意方向控制、冲突避免和采样时机。以下是针对这类端口验证的关键要点：

核心要点：

方向控制（Direction Control）：

必须为INOUT端口定义一个方向控制信号（如dir_waddr），用于指示当前是输入还是输出模式。
当dir_waddr=1时，DUT驱动waddr（输出模式），验证平台应将其视为输入（即从DUT读取数据），且不能驱动该线。
当dir_waddr=0时，DUT不驱动waddr（输入模式），验证平台负责驱动该端口。

三态行为模拟（Tri-state Modeling）：

在DUT输出模式下，验证平台必须释放对waddr总线的驱动（置为高阻态'z'），否则会发生总线冲突（两个源同时驱动同一线路）。

在测试平台中使用条件驱动：仅在方向为输入模式时驱动数据。

冲突检测（Contention Detection）：

在仿真中，如果检测到当dir_waddr=1（DUT输出模式）时测试平台仍然在驱动waddr（非'z'），必须报错（使用断言或运行时检查）。

当dir_waddr=0且DUT意外驱动waddr（非'z'），也应报错。

输入模式（Input Mode）激励：

当端口配置为输入模式（dir_waddr=0）时，测试平台需提供有效的激励数据（即驱动waddr为特定地址值）。

输出模式（Output Mode）采样：

当端口配置为输出模式（dir_waddr=1）时，测试平台应在恰当的时钟边沿采样waddr的值（比如时钟上升沿后若干时间）。

采样值与预期值比较（如通过DUT操作后的地址）。

测试场景：

测试平台应覆盖以下场景：

a. 输出模式：DUT成功驱动地址，测试平台读取正确。

b. 输入模式：测试平台驱动地址，DUT正确响应（比如根据地址访问内存，并在rdata上输出对应数据）。

c. 方向切换测试：在数据传输过程中切换方向，观察冲突处理和恢复机制。

d. 高阻态处理：当端口处于高阻态时，确保总线能被其他设备正确驱动。

4 什么是芯片I/O PAD

I/O PAD是ASIC后端设计的重要单元：用来将芯片中的逻辑信号电平转换为芯片外部的信号电平；

即I/O pad是与芯片外部PCB板上连接的；I/O PIN是与芯片内部逻辑相连的；

一般功能有：

驱动电路：驱动能力--2mA(芯片)-->64mA（PCB）
电平转换器：将逻辑电压：(0.8v~1.2V)-->外部接口电压(3.3v/5v);
ESD保护电路结构：
焊盘：绑定连接封装引脚等；