Verilog 开关级建模

关键词：MOS, CMOS, 双向开关, PAD

开关级建模是比门级建模更为低级抽象层次上的设计。在极少数情况下，设计者可能会选择使用晶体管作为设计的底层模块。随着电路设计复杂度及相关先进工具的出现，以开关为基础的数字设计慢慢步入黄昏。目前，Verilog 仅仅提供了用逻辑值 0、1、x、z 作为相关驱动强度的数字设计能力，因此，Verilog 中晶体管也仅被当做导通或截止的开关。

MOS 开关

MOS 开关有 2 种，用如下关键字声明：

nmos（N 类型 MOS 管）   pmos（P 类型 MOS 管）  
rnmos （带有高阻抗的 NMOS 管） rpmos（带有高阻抗的 PMOS 管）

MOS 管用来为开关逻辑建模，数据从输入流入输出，可通过适当设置来开、关数据流。

带有阻抗的 MOS 管，源极到漏极的阻抗较高，且在传递信号时会减小信号的强度。

MOS 管开关结构图如下所示。

例化时，MOS 管第一个端口为输出端，第二个端口为数据输入端，第三个端口为控制输入端。

   //tri
   pmos pmos1           (OUTX, IN1, CTRL1) ;
   //no instantiation name
   nmos                 (OUTX1, IN1, CTRL2) ;

MOS 管真值表如下所示，与三态门非常相似。

CMOS 开关

CMOS 开关用关键字 cmos 和 rcmos （带有高阻抗）声明。

CMOS 有一个数据输出，一个数据输入和 2 个控制输入，结构示意图如下：

信号 PControl 与 Ncontrol 通常是互补的。当信号 Ncontrol 为 1 且 PControl 为 0 时，开关导通。 当信号 Ncontrol 为 0 且 PControl 为 1 时，开关输出为高阻。可以将 CMOS 开关看做是 NMOS 与 PMOS 开关的组合体。

例化时，CMOS 管第一个端口为输出端，第二个端口为数据输入端，第三个端口为 Ncontrol 控制输入端，第四个端口为 Pcontrol 控制输入端。

CMOS 开关例化格式如下。

   //coms
   cmos c1              (OUTY, IN1, NCTRL, PCTRL) ;
   //no instantiation name
   cmos                 (OUTY1, IN1, NCTRL, PCTRL) ;

既然 CMOS 可以看做是 NMOS 与 PMOS 开关的组合体，所以还可以用这两种 MOS 开关去搭建 CMOS 开关，如下：

   //the same 2-way instantiation of cmos
   nmos n2              (OUTY, IN1, NCTRL) ;
   pmos p2              (OUTY, IN1, PCTRL) ;

CMOS 真值表与 MOS 开关类似，注意 Ncontrol 与 Pcontrol 信号的互补性。

双向开关

NMOS、PMOS、CMOS 开关门都是从漏极向源极导通，方向是单向的。Verilog 中还提供了双向导通的开关器件，数据可以双向流动，两边的信号都可以是驱动信号。

双向开关及其阻抗模式的关键字声明如下：

tran  tranif1  tranif0   rtran  rtranif1  rtranif0

双向开关结构图如下：

tran 开关为两个信号直接的缓存，inout1 或 inout2 均可以是驱动信号。

tranif1 仅当 control 信号为 1 时，开关两边的信号导通。当 control 为 0 时，两个信号断开，有驱动源的信号会和驱动源保持一致的信号值，没有驱动源的信号则呈现为高阻状态。

tranif0 同理。

因此，双向开关常用来进行总线或信号之间的隔离。

例化时，双向开关前

两个端口为数据端，第三个端口为 control 控制输入端。

双向开关例化举例如下：

   tranif0 tr0              (inout1, inout2, control) ;
   //no instantiation name
   tranif1                  (inout1, inout2, control) ;

电源和地

晶体管级电路需要源极（Vdd， 逻辑 1）与地极（Vss, 逻辑 0），分别用关键字 supply1 和 supply0 来定义。 用法如下：

   supply1              VDD ;
   supply0              GND ;
   wire                 siga = VDD ; //siga is connected to logic 1
   wire                 sigb = GND ; //sign is connected to logic 0

PAD 模型仿真

在《Verilog 教程》的《Verilog 模块与端口》一节中，涉及过 PAD 模型的编写与仿真。下面，利用三态门对 PAD 模型进行重塑，上下拉功能固定，并利用双向开关对 PAD 连接性进行测试。

利用三态门编写的带有 pullup 功能的 pad 模型如下，pulldown 功能的 pad 模型切换下注释即可。

module PADUP(
   //DIN, pad driver when pad configured as output
   //OEN, pad direction(1-input, o-output)
   input        DIN, OEN ,
   inout        PAD ,
   //pad load when pad configured as input
   output       DOUT
  );
   //input:(not effect pad external input logic), output: DIN->PAD
   bufif0 (PAD, DIN, OEN) ;     //0-output
   bufif1 (DOUT, PAD, OEN) ;    //1-input
   pullup (PAD);
   //pulldown (PAD);   //pulldown
endmodule

利用双向开关控制 PAD IO 连接性的 testbench 编写如下。

测试流程为 PAD0/1 互连，然后 PAD0 作为输出，PAD1 作为输入，驱动 PAD0, 读取 PAD1 的值。然后两者方向各自取反，驱动 PAD1 读取 PAD0 的值。

PAD2/3 测试过程完全一样。

`timescale 1ns/1ns
module test ;
   parameter    PULL_UP         = 1 ;
   parameter    PULL_DOWN       = 0 ;
   parameter    IO0_OUT         = 0 ;
   parameter    IO1_OUT         = 1 ;
   parameter    IO2_OUT         = 2 ;
   parameter    IO3_OUT         = 3 ;
   parameter    IO0_IN          = 0 ;
   parameter    IO1_IN          = 1 ;
   parameter    IO2_IN          = 2 ;
   parameter    IO3_IN          = 3 ;
   reg [3:0]    DIN, OEN ;
   wire [3:0]   DOUT ;
   wire [3:0]   PAD ;
   //test connection control, using tranif1
   reg [1:0]    con_ena ;
   tranif1 (PAD[0], PAD[1], con_ena[0]);
   tranif1 (PAD[2], PAD[3], con_ena[1]);
   reg err = 0;
   task test_io_conn;
      //test pull
      input             pull_type ;
      //test conn
      input [1:0]       xout ;     //output postion
      input [1:0]       yin ;     //output postion
      DIN[xout]         = ~pull_type ;
      # 20 ;
      if (DOUT[yin] != ~pull_type) begin
         $display("write value and get value is: %h, %h", ~pull_type, DOUT[yin]);
         err        |= 1 ;
      end
      DIN[xout]         = pull_type;
      # 20 ;
      if (DOUT[yin] != pull_type) begin
         $display("write value and get value is: %h, %h", pull_type, DOUT[yin]);
         err        |= 1 ;
      end
   endtask
   initial begin
      con_ena   = 2'b01 ;
      OEN       = 4'b1111 ;
      #13 ;
      //test between io0/io1
      OEN[0]    = 0 ;
      OEN[1]    = 1 ; //gpio0 -> gpio1
      test_io_conn(PULL_UP, IO0_OUT, IO1_IN);
      OEN[1]    = 0 ;
      OEN[0]    = 1 ; //gpio0 -> gpio1
      test_io_conn(PULL_UP, IO1_OUT, IO0_IN);
      OEN       = 4'b1111 ;
      con_ena   = 2'b10 ;
      OEN[2]    = 1'b0 ;
      OEN[3]    = 1'b1 ;
      test_io_conn(PULL_DOWN, IO2_OUT, IO3_IN);
      OEN[3]    = 1'b0 ;
      OEN[2]    = 1'b1 ;
      test_io_conn(PULL_DOWN, IO3_OUT, IO2_IN);
   end
   PADUP        u_pad_up0( DIN[0], OEN[0], PAD[0], DOUT[0]) ;
   PADUP        u_pad_up1( DIN[1], OEN[1], PAD[1], DOUT[1]) ;
   PADDOWN      u_pad_down3( DIN[2], OEN[2], PAD[2], DOUT[2]) ;
   PADDOWN      u_pad_down4( DIN[3], OEN[3], PAD[3], DOUT[3]) ;
   initial begin
      forever begin
         #100;
         //$display("---gyc---%d", $time);
         if ($time >= 1000) begin
            $finish ;
         end
      end
   end
endmodule // test

仿真结果如下。

由图可知，13ns 之内，4 个 PAD 均为输入时，PAD 值均与 pull 功能对应，即 PAD0-1 均有上拉功能，PAD2-3 均有下拉功能。

13-53ns 之内，PAD0 作为输出，PAD1 作为输入，并且相连，两者的逻辑值变化一致。同理，53ns-93ns 之内，PAD1 作为输出，PAD0 作为输入， 相连状态下两者逻辑值也是一致的。这说明 PAD0/1 的输入输出功能都是正常的。

PAD2/3 结果也类似，这里不再做说明。

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