FPGA IO的基本結(jié)構(gòu)及默認(rèn)狀態(tài)

概述

在進(jìn)行FPGA硬件設(shè)計時，引腳分配是非常重要的一個環(huán)節(jié)，特別是在硬件電路上需要與其他芯片通行的引腳。Xilinx FPGA從上電之后到正常工作整個過程中各個階段引腳的狀態(tài)，會對硬件設(shè)計、引腳分配產(chǎn)生非常重要的影響。這篇專題就針對FPGA從上電開始 ，配置程序，到正常工作整個過程中所有IO的狀態(tài)進(jìn)行分析。

從時間階段可以分為兩部分，第一階段是從FPGA上電開始直到配置（Configuration）完成之前。第二個階段是配置完成之后，F(xiàn)PGA開始正常工作開始。

從引腳類型上分，可以分為三大類：第一類是普通的IO，其中又分為程序設(shè)計中使用到的IO和程序設(shè)計中沒有使用的IO（即在ucf或者XDC文件中沒有進(jìn)行約束的IO）；第二類是專用下載配置引腳（Dedicated Pins），這類引腳只用于專用的功能，包括有M[2：0]、TCK、TMS、PROGRAM_B、INIT_B等。第三類為功能復(fù)用引腳，這類引腳在使用特定的功能時使用，例如在使用BPI配置模式時，D[00-31]和A[00-28]需要使用。如果使用SYSMON時，I2C_SDA和I2C_SCL需要使用。但在當(dāng)前沒有使用該功能的情況下，功能復(fù)用引腳可以看成普通IO。

FPGA IO的基本結(jié)構(gòu)

在《IO輸入輸出的各種模式》介紹了處理器IO的各種輸入輸出模式以及原理，那么FPGA的IO是什么樣的結(jié)構(gòu)和原理？圖 1為Xilinx文檔中提供的IOB的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，可以看出：

在FPGA IOB內(nèi)部，Pad輸出之前，內(nèi)置上下拉電阻。且可以通過Passive Pull-up/Pull-down模塊控制兩個MOS管的導(dǎo)通與否來控制是否使能上下拉電阻。

內(nèi)部連接Pad的分別有一個Input Buffer和Output Buffer。其中Input Buffer對外應(yīng)該始終呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，同時可以將Pad上的電平通過Input Buffer傳到I1和I2，或者是下部的FF。Output Buffer有兩個控制信號，分別是Slew Rate Control，用來控制輸出信號的Slew Rate；另一個是三態(tài)控制信號T，可以控制Output Buffer輸出高阻。

內(nèi)部輸出信號Out，可以通過上半部分的FF，經(jīng)Output Clock同步后打出，也可以直接連接到Output buffer的輸入端，直接輸出。

同樣Input Buffer的輸出，可以直接連接到I1和I2，也可以經(jīng)過下半部分的FF，經(jīng)過input clock的同步之后輸出到內(nèi)部總線上。

上下兩個MOS并不是推挽輸出的兩個MOS管，因為并不受到互補(bǔ)信號的控制，并不一定一個導(dǎo)通另一個閉合。

這里介紹一下輸入緩存器的結(jié)構(gòu)和原理，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示，其原理與推挽輸出電路非常類似，只是輸入端信號作為了兩個互補(bǔ)MOS管的控制端，控制著輸出端的電平。由于輸入緩沖器有自己的供電電壓，所以輸入電平必須與緩沖器的電源電壓相匹配。D1和D2兩個鉗位二極管用于防治輸入電壓過低或者過高，損壞輸入緩沖器。

普通IO

配置完成之前

在FPGA上電到配置完成之前，由于當(dāng)前FPGA還沒有下載程序，無法區(qū)分哪些引腳被設(shè)計所使用，哪些引腳沒有被使用。此時的普通IO包括兩部分：

該封裝中所有的通用IO引腳。

當(dāng)前所選擇的模式下沒有使用到的所有功能復(fù)用管腳。

在Spartan6系列以及之前的器件中這些引腳的狀態(tài)是根據(jù)HSWAPEN的狀態(tài)決定的。

在7系列以后的器件，包括Ultrascale器件中，這些引腳的狀態(tài)是根據(jù)PUDC_B(Pull-Up During Configuration)引腳

這兩個引腳的功能是相似的，都是用來控制在Configuration完成之前，所有普通IO的上拉電阻是否使能的。對應(yīng)到圖 1中，即Output Buffer輸出高阻，Input Buffer對外始終為高阻，此時選擇是否連接上拉電阻。

配置完成之后

在配置完成之后，F(xiàn)PGA就進(jìn)入正常工作的模式了。在配置完成之后，普通引腳可以分為以下兩種：

工程設(shè)計中使用的IO，即在UCF或者XDC中有明確約束的IO。

其余沒有使用，也沒有約束的IO。（稱為Unassigned Pins）

首先，對于第一種情況，由于已經(jīng)在設(shè)計中明確設(shè)定了這些引腳的設(shè)置，包括方向、電平、驅(qū)動能力等等，所以在配置完成之后，這些引腳的狀態(tài)已經(jīng)被設(shè)置為了預(yù)設(shè)的狀態(tài)。

對于沒有約束的IO，又復(fù)雜一些了。在ISE開發(fā)環(huán)境下，工程完成Implement之后，在Processà Process properties àConfiguration Options中有"-g UnusedPin Unused IOB Pins"屬性，可以選擇Pull Down、Pull Up或者Floating。默認(rèn)狀態(tài)是Pull-Down。對應(yīng)到圖 1中，是高阻輸出，導(dǎo)通下拉電阻。另兩個設(shè)置就是高阻加上上拉電阻或者只是上下拉電阻均不導(dǎo)通。

在Vivado中也有相同的設(shè)置，必須在實現(xiàn)完成之后，打開Implementation Design之后選擇bitstream Settings，其中在"Configure additional bitstream settings"中的Configuration欄中，有如下屬性選擇項。

專用IO

所有的專用配置引腳全部位于Bank0，包括CFGBVS、M[2:0]、TCK、TMS、TDI、TDO、PRORAM_B、INIT_B、DONE以及CCLK。專用引腳的含義就是無論在配置過程中還是配置完成之后，這些引腳無論在什么階段都只用于配置。

所以對于這些引腳考慮相對比較簡單，分為輸入信號和輸出信號。輸入信號的狀態(tài)始終保持LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓值為VCCO（輸入信號為什么也有電平標(biāo)準(zhǔn)要求，需要與Input buffer的供電電壓相匹配，見圖 2）。輸出信號的狀態(tài)始終保持LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓為VCCO，12mA drive，fast slew rate。

功能復(fù)用IO

相比于其他引腳，功能復(fù)用引腳的情況是最復(fù)雜的，這些管腳包括與配置相關(guān)的PUDC_B、EMCCLK、CSI_B、CSO_B、DOUT、RDWR_B、D00_MOSI、D01_DIN、D[00-31]、A[00-28]、FCS_B、FOE_B、FEW_B、ADV_B、RS0以及RS1；以及與System Monitor相關(guān)的AD0P至AD15P、AD0N至AD15N，I2C_SDA以及I2C_SCLK。

為了說清楚功能復(fù)用管腳在不同階段的狀態(tài)，將復(fù)用管腳分為以下幾類：

在當(dāng)前所選擇的功能中使用到的功能復(fù)用管腳，例如在選擇BPI配置時的D[00-31]和A[00-28]。

在當(dāng)前所選擇的功能中沒有使用到的功能復(fù)用管腳。例如在選擇SPI配置時的D[00-31]和A[00-28]。

在完成配置之前需要作為輸出或者雙向，總之有可能向外輸出信號的管腳，例如I2C_SDA和I2C_SCLK。

配置完成之前

在FPGA上電至配置完成之前的這段時間內(nèi)，前面列出的第一類引腳，即在當(dāng)前所選擇的功能中使用到的功能復(fù)用管腳，狀態(tài)等同于專用配置IO管腳。輸入信號的狀態(tài)始終保持LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓值為VCCO。輸出信號的狀態(tài)始終保持LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓為VCCO，12mA drive，fast slew rate。

前面列出的第二類引腳，即在當(dāng)前所選擇的功能中沒有使用到的功能復(fù)用管腳，視同于普通IO，其狀態(tài)受到HSWAPEN或者PUDC_B信號的控制，決定是高阻還是連接弱上拉電阻。

第三類引腳的情況比較復(fù)雜，目前所知的只有I2C_SDA和I2C_SCLK，這兩個信號會在配置完成前出現(xiàn)一些不確定的狀態(tài)。所以如果FPGA的IO還有富余，并且要求所有連接到外部的引腳有確定的狀態(tài)，那么最好不要使用這兩個引腳作為連接外設(shè)的IO。

配置完成之后

在FPGA配置完成之后，前面提到的三種引腳會被分成另外三類：

第一類是在用戶設(shè)計中明確配置了需要保留的功能引腳，例如對于配置相關(guān)的引腳設(shè)置了Persist option屬性，這種情況下這些引腳會繼續(xù)保持之前與配置相關(guān)的功能，其狀態(tài)為輸入信號的狀態(tài)始終保持LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓值為VCCO。輸出信號的狀態(tài)始終保持LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓為VCCO，12mA drive，slow slew rate。再例如設(shè)計中使用了SYSMON，I2C_SDA和I2C_SCLK引腳則繼續(xù)保持DRP I2C的功能。

第二類是在用戶設(shè)計配置中沒有要求保留其特殊功能，這些引腳在配置完成之后會變成普通IO，且在用戶設(shè)計中沒有使用到的IO。這些IO相當(dāng)于Unassigned IO，如前所述，這些IO在配置完成之后的狀態(tài)受到相應(yīng)設(shè)置的影響，可以是上拉、下拉或者Floating。

第三類是在用戶設(shè)計配置中沒有要求保留其特殊功能，這些引腳在配置完成之后會變成普通IO，并且在用戶設(shè)計中使用到的IO。這些IO的狀態(tài)由用戶設(shè)計控制，會在XDC或者UCF中設(shè)定。如果沒有設(shè)定就會按照默認(rèn)的狀態(tài)，輸入端口默認(rèn)狀態(tài)為LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓值為VCCO；輸出信號默認(rèn)狀態(tài)為保持LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓為VCCO，12mA drive，slow slew rate。