在FPGA中三态门比较常见，因为FPGA是做为一个高速处理的器件，免不了要进行输入输出数据，常规的输入和输出是分开的两个接口要不停的切换比较麻烦，在FPGA中用的双向口一般都是用三态门来作为输入和输出的，这样优点是只要一个接口就可以输入输出比较节约逻辑资源，但缺点是三态门的处理没有常规两个I/O的方便，这里我们来看看怎样使用三态门，下图是三态门的结构。
当sda_en为高时SDA作为输出口，输出sda_out的数据，当sda_en为低时三态门是处于高阻态，这时三态门是作为输入口使用，这时输入的数据为SDA的数据。
下面是用vivado 写的一段程序，当做为输出时将我们产生的clk_out的频率输出，代码如下。
module stm
(
i_clk,
i_rst_n,
SDA
);
input i_clk;
input i_rst_n;
inout SDA;
reg sda_en;
reg sda_out;
reg [9:0] cnt;
reg clk_out;
always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)
if(i_rst_n==1'b0)
cnt <= 10'd0;
else if(cnt==10'd999)
cnt <= 10'd0;
else
cnt <= cnt + 1'b1;
always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)
if(i_rst_n==1'b0)
clk_out <= 1'b0;
else if(cnt==10'd999)
clk_out <= ~clk_out;
always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)
if(i_rst_n==1'b0)begin
sda_out <= 1'b0;
sda_en <= 1'b1;
end
else begin
sda_out <= clk_out;
sda_en <= 1'b1; //这里为1表示作为输出口使用
end
assign SDA = (sda_en)? sda_out:1'bz;
endmodule
这个仿真脚本是随意编写的一个，如果你有更好的脚本可以使用自己编写的，我使用的vivado 仿真脚本如下：
module test_tb();
reg i_clk;
reg i_rst_n;
wire SDA;
stm u1
(
.i_clk(i_clk),
.i_rst_n(i_rst_n),
.SDA(SDA)
);
initial begin
i_clk = 0;
i_rst_n = 1;
#10;
i_rst_n = 1'b0;
#120;
i_rst_n = 1'b1;
end
always #40 i_clk = ~i_clk;
endmodule
下图是仿真时产生的波形，可以清楚的看到当sda_en为高时，我们输出SDA是等于clk_out的，所以可以看出这时这个三态门是作为输出口使用的。（当然这使能信号sda_en是高输出还是低输出，可以自己去设置我现在写的程序是高输出低输入，也可以高输入低输出只要将程序改一下就可以了，具体自己可以去尝试。）
上图是三态门作为输出口使用的，下面是三态门作为输入使用的代码如下：
module stm
(
i_clk,
i_rst_n,
SDA
);
input i_clk;
input i_rst_n;
inout SDA;
reg sda_en;
reg sda_out;
reg [9:0] cnt;
reg clk_out;
always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)
if(i_rst_n==1'b0)
cnt <= 10'd0;
else if(cnt==10'd999)
cnt <= 10'd0;
else
cnt <= cnt + 1'b1;
always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)
if(i_rst_n==1'b0)
clk_out <= 1'b0;
else if(cnt==10'd999)
clk_out <= ~clk_out;
always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)
if(i_rst_n==1'b0)begin
sda_out <= 1'b0;
sda_en <= 1'b1;
end
else begin
sda_out <= clk_out;
sda_en <= 1'b0; //这里为0表示作为输入口使用
end
assign SDA = (sda_en)? sda_out:1'bz;
endmodule
当做为输入口时，我在vivado仿真脚本里添加了一个输入时钟clk_out,为了加以区别，输入口的clk_out这个的频率是计数到499就翻转而作为输出口的clk_out是计数到999才翻转，所以输人口的clk_out的频率是输出口的clk_out 的频率的两倍，代码如下：
module test_tb();
reg i_clk;
reg i_rst_n;
wire SDA;
stm u1
(
.i_clk(i_clk),
.i_rst_n(i_rst_n),
.SDA(SDA)
);
reg [9:0] cnt;
reg clk_out;
always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)
if(i_rst_n==1'b0)
cnt <= 10'd0;
else if(cnt==10'd499)
cnt <= 10'd0;
else
cnt <= cnt + 1'b1;
always@(posedge i_clk or negedge i_rst_n)
if(i_rst_n==1'b0)
clk_out <= 1'b0;
else if(cnt==10'd499)
clk_out <= ~clk_out;
assign SDA = clk_out;
initial begin
i_clk = 0;
i_rst_n = 1;
#10;
i_rst_n = 1'b0;
#120;
i_rst_n = 1'b1;
end
always #40 i_clk = ~i_clk;
endmodule
SDA作为输入口时，仿真波形如下，大家可以看到当sda_en为低时，即使sda_out上面有我们之前产生的clk_out计数到999的那个频率，但SDA依然是clk_out计数到499时的频率，所以可以看出这时SDA是作为输入口使用的。
功能描述如下图：
sda_en为1时作为输出，为0时为高阻作为输入
最后建议大家用我的程序仿真时，如果作为输出口使用仿真程序请用作为输出口仿真脚本，作为输入口使用时请使用作为输入口的仿真脚本，这两个脚本不是通用的。
文章转载自：taowei1314520的博客
