FPGA研发之道（25）-管脚

作者：阿昏豆

    管脚是FPGA重要的资源之一，FPGA的管脚分别包括，电源管脚，普通I/O，配置管脚，时钟专用输入管脚GCLK等。

（1）电源管脚：

   通常来说： FPGA内部的电压包括内核电压和I/O电压。

      1.内核电压：即FPGA内部逻辑的供电。通常会较I/O电压较低，随着FPGA的工艺的进度，FPGA的内核电压逐渐下降，这也是降低功耗的大势所趋。

      2.I/O电压 （Bank的参考电压）。每个BANK都会有独立的I/O电压输入。也就是每个BANK的参考电压设定后，本BANK上所有I/O的电平都与参考电平等同。

   是否可以通过约束来设定IO管脚的输出电平那，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

    不论设定为多大的电平，IO的输出与BANK的参考电压保持一致，也就是说，PINA和PINB的电平与其BANK的电平保持一致，而不是所约束的那样一定会是3V或3.3V的电平。那是否意味着这种约束没有作用？

如果约束同一BANK上的管脚为不同电平，如PINA和PINB在同一BANK，但是电平不同，则EDA工具会报错。可以起到错误检查的作用。（同一bank上电平要一致，但是类型可以是多种，例如CMOS，TTL等）。

    对于复杂的FPGA内部，一般来说PLL也会都单独的供电，并且其内部包括数字电源和模拟电源。

       SERDES一般也需要独立供电。一般支持高速SERDES的FPGA器件都都有独立的供电管脚，一般也都有独立的时钟管脚（一般为差分时钟）。

（2） 配置管脚：

      FPGA的配置管脚每个FPGA都需要，为了支持多种配置方式，例如JTAG，从串、从并、主串、主并等。值得注意的是，对于其配置管脚的控制信号来说，是专用管脚，不能用做普通I/O，而其数据信号，可以用作普通I/O。在管脚资源较为紧张时，可以复用配置信号的数据信号作为普通I/O来用。

(3) 普通I/O：

     FPGA的I/O是FPGA管脚上较为丰富的资源。也是做管脚约束时最常用的资源。对于例化IP来说（例如serdes和DDR2/3等），需要使用EDA工具给出了I/O约束。如果修改则需要预先编译进行评估。一般来说，DDR的接口信号最好能在一个BANK上约束，如果不能则其控制信号要约束到同一BANK上，否则导致EDA工具布局布线报错。

         对于FPGA的普通I/O，可以设定包括管脚电平类型（LVTTL，LVCOMS，SSTL,HSTL等等），还包括端接大小，驱动电流，摆率等参数。

       对于FPGA引脚来说，通过阻抗匹配的设置（altera的OCT，xilinx的DCI的设置）。可以有效的减少板上电阻的数目，降低BOM成本。端接的设置可以阻止阻抗不连续导致信号反射，保证信号完整性。

      对于普通信号来说，一般不需要每个都设置阻抗匹配，，只有板级布线长度的电信号传输时间超过高速信号的时钟周期的0.1倍时，才需要设置端接。简单来说也就是只有高速信号，且信号输出和输入距离较远时，才需要使用端接，一般是FPGA连接外部DDR等高速器件时。对于使用外部校准的RUP和RDN电阻来说，其RUP和RDN电阻是整个电路可靠性的关键点。例如：在以一批FPGA板卡中，测试发现只有某一块接口不通，FPGA工程师调试时发现，只要把接口I/O设定为CMOS电平，而不使用DCI的端接，则所有板卡全部能够通信正常，后来发现该板卡RUP上拉电阻失效，从而导致接口电路没有上拉而接口出错。也就是说，I/O的电平设置，以满足设计需要为主，而不用锦上添花。增加的额外电路就会导致额外的失效点。

（4）时钟管脚

       FPGA内部的时钟，都需要通过专用时钟管脚连接内部PLL或者DCM等专用时钟处理单元，从而接入内部高速时钟网络。在早期的FPGA中内部时钟资源有限，专用处理单元也有限，需要严格的规划PLL等时钟处理单元和全局时钟资源，随着FPGA技术的发展，这个功能逐渐弱化，但是早期规划也是必须的。

    值得注意的是，对于一些外部同步信号的输入，其时钟没有连接到专用时钟管脚上，只用于采样当前的同步信号，因此不用接入全局时钟网络，设计上也是允许的，需要约束其管脚不使用全局时钟资源。否者，EDA工具会报错，提示其作为时钟输入，而没有接在专用时钟管脚上。

      正如本文开始所说，管脚是FPGA的重要资源，FPGA工程师熟悉管脚特性和电路设计的基础知识，对于FPGA系统设计和板级电路的调试都是有益的。