FPGA上電后IO的默認(rèn)狀態(tài) - 全文

概述

在進(jìn)行FPGA硬件設(shè)計(jì)時(shí)，引腳分配是非常重要的一個(gè)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(gè)過(guò)程中各個(gè)階段引腳的狀態(tài)，會(huì)對(duì)硬件設(shè)計(jì)、引腳分配產(chǎn)生非常重要的影響。這篇專(zhuān)題就針對(duì)FPGA從上電開(kāi)始 ，配置程序，到正常工作整個(gè)過(guò)程中所有IO的狀態(tài)進(jìn)行分析。

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

從引腳類(lèi)型上分，可以分為三大類(lèi)：第一類(lèi)是普通的IO，其中又分為程序設(shè)計(jì)中使用到的IO和程序設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用的IO（即在ucf或者XDC文件中沒(méi)有進(jìn)行約束的IO）；第二類(lèi)是專(zhuān)用下載配置引腳（Dedicated Pins），這類(lèi)引腳只用于專(zhuān)用的功能，包括有M[2：0]、TCK、TMS、PROGRAM_B、INIT_B等。第三類(lèi)為功能復(fù)用引腳，這類(lèi)引腳在使用特定的功能時(shí)使用，例如在使用BPI配置模式時(shí)，D[00-31]和A[00-28]需要使用。如果使用SYSMON時(shí)，I2C_SDA和I2C_SCL需要使用。但在當(dāng)前沒(méi)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(guò)Passive Pull-up/Pull-down模塊控制兩個(gè)MOS管的導(dǎo)通與否來(lái)控制是否使能上下拉電阻。

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

內(nèi)部輸出信號(hào)Out，可以通過(guò)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(guò)下半部分的FF，經(jīng)過(guò)input clock的同步之后輸出到內(nèi)部總線上。

上下兩個(gè)MOS并不是推挽輸出的兩個(gè)MOS管，因?yàn)椴⒉皇艿交パa(bǔ)信號(hào)的控制，并不一定一個(gè)導(dǎo)通另一個(gè)閉合。

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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(lèi)似，只是輸入端信號(hào)作為了兩個(gè)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(gè)鉗位二極管用于防治輸入電壓過(guò)低或者過(guò)高，損壞輸入緩沖器。

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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(méi)有下載程序，無(wú)法區(qū)分哪些引腳被設(shè)計(jì)所使用，哪些引腳沒(méi)有被使用。此時(shí)的普通IO包括兩部分：
1. 該封裝中所有的通用IO引腳。
2. 當(dāng)前所選擇的模式下沒(méi)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。

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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

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這兩個(gè)引腳的功能是相似的，都是用來(lái)控制在Configuration完成之前，所有普通IO的上拉電阻是否使能的。對(duì)應(yīng)到圖 1中，即Output Buffer輸出高阻，Input Buffer對(duì)外始終為高阻，此時(shí)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(jì)中使用的IO，即在UCF或者XDC中有明確約束的IO。
其余沒(méi)有使用，也沒(méi)有約束的IO。（稱(chēng)為Unassigned Pins）

首先，對(duì)于第一種情況，由于已經(jīng)在設(shè)計(jì)中明確設(shè)定了這些引腳的設(shè)置，包括方向、電平、驅(qū)動(dòng)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(duì)于沒(méi)有約束的IO，又復(fù)雜一些了。在ISE開(kāi)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(duì)應(yīng)到圖 1中，是高阻輸出，導(dǎo)通下拉電阻。另兩個(gè)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(shí)現(xiàn)完成之后，打開(kāi)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(xiàng)。

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專(zhuān)用IO

所有的專(zhuān)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(zhuān)用引腳的含義就是無(wú)論在配置過(guò)程中還是配置完成之后，這些引腳無(wú)論在什么階段都只用于配置。

所以對(duì)于這些引腳考慮相對(duì)比較簡(jiǎn)單，分為輸入信號(hào)和輸出信號(hào)。輸入信號(hào)的狀態(tài)始終保持LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓值為VCCO（輸入信號(hào)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(jiàn)圖 2）。輸出信號(hào)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(shuō)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(lèi)：
1. 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(shí)的D[00-31]和A[00-28]。
2. 在當(dāng)前所選擇的功能中沒(méi)有使用到的功能復(fù)用管腳。例如在選擇SPI配置時(shí)的D[00-31]和A[00-28]。
3. 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(hào)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(shí)間內(nèi)，前面列出的第一類(lèi)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(zhuān)用配置IO管腳。輸入信號(hào)的狀態(tài)始終保持LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓值為VCCO。輸出信號(hào)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(lèi)引腳，即在當(dāng)前所選擇的功能中沒(méi)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(hào)的控制，決定是高阻還是連接弱上拉電阻。

第三類(lèi)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(gè)信號(hào)會(huì)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(gè)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(huì)被分成另外三類(lèi)：

第一類(lèi)是在用戶(hù)設(shè)計(jì)中明確配置了需要保留的功能引腳，例如對(duì)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(huì)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(hào)的狀態(tài)始終保持LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓值為VCCO。輸出信號(hào)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(jì)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(lèi)是在用戶(hù)設(shè)計(jì)配置中沒(méi)有要求保留其特殊功能，這些引腳在配置完成之后會(huì)變成普通IO，且在用戶(hù)設(shè)計(jì)中沒(méi)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(lèi)是在用戶(hù)設(shè)計(jì)配置中沒(méi)有要求保留其特殊功能，這些引腳在配置完成之后會(huì)變成普通IO，并且在用戶(hù)設(shè)計(jì)中使用到的IO。這些IO的狀態(tài)由用戶(hù)設(shè)計(jì)控制，會(huì)在XDC或者UCF中設(shè)定。如果沒(méi)有設(shè)定就會(huì)按照默認(rèn)的狀態(tài)，輸入端口默認(rèn)狀態(tài)為L(zhǎng)VCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)，電壓值為VCCO；輸出信號(hào)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。