FPGA研發(fā)之道（25）-管腳

　　管腳是FPGA重要的資源之一，FPGA的管腳分別包括，電源管腳，普通I/O，配置管腳，時(shí)鐘專(zhuān)用輸入管腳GCLK等。

　　(1)電源管腳：

　　通常來(lái)說(shuō)： FPGA內部的電壓包括內核電壓和I/O電壓。

　　1.內核電壓：即FPGA內部邏輯的供電。通常會(huì )較I/O電壓較低，隨著(zhù)FPGA的工藝的進(jìn)度，FPGA的內核電壓逐漸下降，這也是降低功耗的大勢所趨。

　　2.I/O電壓 (Bank的參考電壓)。每個(gè)BANK都會(huì )有獨立的I/O電壓輸入。也就是每個(gè)BANK的參考電壓設定后，本BANK上所有I/O的電平都與參考電平等同。

　　是否可以通過(guò)約束來(lái)設定IO管腳的輸出電平那，答案是否定的，如下例所示

　　set_instance_assignment -name IO_STANDARD 3.0-V LVCMOS -to pinA

　　set_instance_assignment -name IO_STANDARD 3.3-V LVCMOS -to pinB

　　不論設定為多大的電平，IO的輸出與BANK的參考電壓保持一致，也就是說(shuō)，PINA和PINB的電平與其BANK的電平保持一致，而不是所約束的那樣一定會(huì )是3V或3.3V的電平。那是否意味著(zhù)這種約束沒(méi)有作用?

　　如果約束同一BANK上的管腳為不同電平，如PINA和PINB在同一BANK，但是電平不同，則EDA工具會(huì )報錯?？梢云鸬藉e誤檢查的作用。(同一bank上電平要一致，但是類(lèi)型可以是多種，例如CMOS，TTL等)。

　　對于復雜的FPGA內部，一般來(lái)說(shuō)PLL也會(huì )都單獨的供電，并且其內部包括數字電源和模擬電源。

　　SERDES一般也需要獨立供電。一般支持高速SERDES的FPGA器件都都有獨立的供電管腳，一般也都有獨立的時(shí)鐘管腳(一般為差分時(shí)鐘)。

　　(2) 配置管腳：

　　FPGA的配置管腳每個(gè)FPGA都需要，為了支持多種配置方式，例如JTAG，從串、從并、主串、主并等。值得注意的是，對于其配置管腳的控制信號來(lái)說(shuō)，是專(zhuān)用管腳，不能用做普通I/O，而其數據信號，可以用作普通I/O。在管腳資源較為緊張時(shí)，可以復用配置信號的數據信號作為普通I/O來(lái)用。

　　(3) 普通I/O：

　　FPGA的I/O是FPGA管腳上較為豐富的資源。也是做管腳約束時(shí)最常用的資源。對于例化IP來(lái)說(shuō)(例如serdes和DDR2/3等)，需要使用EDA工具給出了I/O約束。如果修改則需要預先編譯進(jìn)行評估。一般來(lái)說(shuō)，DDR的接口信號最好能在一個(gè)BANK上約束，如果不能則其控制信號要約束到同一BANK上，否則導致EDA工具布局布線(xiàn)報錯。

　　對于FPGA的普通I/O，可以設定包括管腳電平類(lèi)型(LVTTL，LVCOMS，SSTL,HSTL等等)，還包括端接大小，驅動(dòng)電流，擺率等參數。

　　對于FPGA引腳來(lái)說(shuō)，通過(guò)阻抗匹配的設置(altera的OCT，xilinx的DCI的設置)?？梢杂行У臏p少板上電阻的數目，降低BOM成本。端接的設置可以阻止阻抗不連續導致信號反射，保證信號完整性。

　　對于普通信號來(lái)說(shuō)，一般不需要每個(gè)都設置阻抗匹配，，只有板級布線(xiàn)長(cháng)度的電信號傳輸時(shí)間超過(guò)高速信號的時(shí)鐘周期的0.1倍時(shí)，才需要設置端接。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)也就是只有高速信號，且信號輸出和輸入距離較遠時(shí)，才需要使用端接，一般是FPGA連接外部DDR等高速器件時(shí)。對于使用外部校準的RUP和RDN電阻來(lái)說(shuō)，其RUP和RDN電阻是整個(gè)電路可靠性的關(guān)鍵點(diǎn)。例如：在以一批FPGA板卡中，測試發(fā)現只有某一塊接口不通，FPGA工程師調試時(shí)發(fā)現，只要把接口I/O設定為CMOS電平，而不使用DCI的端接，則所有板卡全部能夠通信正常，后來(lái)發(fā)現該板卡RUP上拉電阻失效，從而導致接口電路沒(méi)有上拉而接口出錯。也就是說(shuō)，I/O的電平設置，以滿(mǎn)足設計需要為主，而不用錦上添花。增加的額外電路就會(huì )導致額外的失效點(diǎn)。

　　(4)時(shí)鐘管腳

　　FPGA內部的時(shí)鐘，都需要通過(guò)專(zhuān)用時(shí)鐘管腳連接內部PLL或者DCM等專(zhuān)用時(shí)鐘處理單元，從而接入內部高速時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )。在早期的FPGA中內部時(shí)鐘資源有限，專(zhuān)用處理單元也有限，需要嚴格的規劃PLL等時(shí)鐘處理單元和全局時(shí)鐘資源，隨著(zhù)FPGA技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)功能逐漸弱化，但是早期規劃也是必須的。

　　值得注意的是，對于一些外部同步信號的輸入，其時(shí)鐘沒(méi)有連接到專(zhuān)用時(shí)鐘管腳上，只用于采樣當前的同步信號，因此不用接入全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò )，設計上也是允許的，需要約束其管腳不使用全局時(shí)鐘資源。否者，EDA工具會(huì )報錯，提示其作為時(shí)鐘輸入，而沒(méi)有接在專(zhuān)用時(shí)鐘管腳上。

　　正如本文開(kāi)始所說(shuō)，管腳是FPGA的重要資源，FPGA工程師熟悉管腳特性和電路設計的基礎知識，對于FPGA系統設計和板級電路的調試都是有益的。

　　PS：?jiǎn)?wèn)題回復

　　QUARTUS能否設定I/O信號的上拉和下拉電阻的大小?

　　1)對于設定的輸出信號來(lái)說(shuō)，其是有電平格式的如 set_instance_assignment -name IO_STANDARD LVCOMS -to pin 這種情況下，其電平格式就是LVCOMS。沒(méi)有上拉或者下拉的設置(也就是說(shuō)coms電平不包括上下拉電阻的設置)。但是可以設置其輸出電流，如 set_instance_assignment -name CURRENT_STRENGTH_NEW 12MA -to pin 板級電路上信號不到位，很多情況下，是驅動(dòng)能力的問(wèn)題。 也可以設置其輸出端接電阻的大小(不是上下拉)。 set_instance_assignment -name OUTPUT_TERMINATION "SERIES 50 OHM WITH CALIBRATION" -to pin 以及其他屬性等等 (2)對于未約束的信號時(shí)可以設定其上下拉狀態(tài)的。 如： set_global_assignment -name RESERVE_ALL_UNUSED_PINS "As input tri-stated with weak pull-up" 其他幾種狀態(tài)分別是 as inputs that are tristated, as outputs that drive ground, as outputs that drive an unspecified signal, asinput tri-stated with bus-hold