FPGA常见的IO接口标准设置

0 引言

        最近准备采用Xilinx FPGA进行多机通信，即主FPGA芯片将采集到的不同层的图像数据流分别输出给对应的4块从FPGA芯片中，主从FPGA之间的连接机制采用星形拓扑结构。经计算，图像数据流接口速率需要数百兆比特/秒，因此需要调研FPGA支持的常见IO接口标准，及每种接口的应用场合。

1 常见IO接口标准

        Xilinx FPGA提供和支持高性能、可配置、多样化的接口标准。主要的可配置属性为On-chip termination（输入端/输出端的内置片上端接电阻），output strength（输出驱动器的电流驱动能力），slew rate（电压压摆率）等。

        常见IO接口可分为单端IO接口和差分IO接口，详细的IO标准参见下图1。单端IO接口和差分IO接口均满足高速接口传输，区别在于应用场合不同。

Xilinx FPGA芯片不同的Bank支持的IO接口标准范围略有所不同，但是同一Bank必须使用同一output drive voltage (VCCO)。

1.1 端接电阻

由上图2可知，当使用高速IO接口时，在接收端通常需要匹配的端接电阻，有利于高低电平的转换和提高信号的完整性，且端接电阻尽可能的放置在接收端。

（a）差分输入端接电阻

        通常需要在差分输入端并行端接100Ω的电阻，FPGA在差分输入接收器提前内置了端接电阻，其阻值R为100Ω，为可选项optional。设计者也可以采用外接端接电阻来进行电阻匹配，阻值选择更灵活。采用片上内置的端接电阻可以节省无聊和缩小PCB面积。

                    

通过UCF文件进行约束，是否使用差分输入端接电阻，语法规则如下：NET DIFF_TERM = "" 。

（b）单端输入端接电阻

        由上图可知，一些单端IO接口也需要输入端接电阻来匹配信号的完整性，例如HSTL，SSTL。SSTL电平通常应用在DDR SRAM中，例如SSTL18应用在DDR2，SSTL15_II应用在DDR3中。详见下图所示。

                               

通过UCF文件进行约束，是否使用单端输入端接电阻，语法规则如下：

NET IN_TERM = ;

（c）输出端接电阻

        由上图可知，输出端（也称为源端）也可以配置输出端接电阻，以减少信号的反射，应用在高速单端信号场合，例如FPGA输出驱动DDR3芯片。输出端接电阻也是optional可选项，常见阻值R为none，25Ω，50Ω，75Ω。通过UCF文件进行约束，是否使用单端输出端接电阻，语法规则如下：

NET OUT_TERM = ;

说明：由上图可知，FPGA作为输出端，其端接电阻可以通过内置端接电阻配置完成，但如果DDR SRAM作为后一级的输入端，该芯片没有片上端接电阻，故需要外接50Ω的输入匹配电阻。

1.2 设置IO接口属性

    常见IO接口属性包括：电平标准，输出压摆率，输出驱动能力，上/下拉。详细设置参考下文。

2  常见IO接口标准&应用

        当今大厂家会基于其IO接口的总线应用场合提出新的IO接口标准，随后被其他厂家所使用。每一种IO接口标准均有其特有的电压、电流、输入输出缓冲和端接匹配技术要求。Xilinx User Guide详细列出了常见的各种IO接口的种类，定义及应用场合，详见下文。

   

3   高速IO接口应用举例

        基于FPGA的高速IO接口应用的常见例子有两种，详见下文。

        第一种： 采用SSTL15_II接口标准，应用于DDR3 SRAM，属于single-end IO standard；

        第二种：采用LVDS33/25接口标准，应用于IOSERDES的高速串行通信，属于differential  IO standard；

3.1  DDR3 SRAM接口驱动

        FPGA驱动DDR3 SRAM芯片时，FPGA作为输出源端，SRAM芯片作为终端，故FPGA需要配置output driver 的相关属性参数attributes。SRAM作为input receiver，需要进行端接电阻匹配，由于没有内置片上端接电阻，故需要在SRAM输入管脚外接匹配电阻，由于数据端口是双向端口，故输入端是高阻状态，无需匹配。而地址总线接口和差分时钟输入接口需要匹配对应阻值的电阻。

（a）FPGA输出端IO Standard在UCF文件中参数配置如下：

NET  "mcb3_dram_dq[*]"      IOSTANDARD  =   SSTL15_II   |    IN_TERM = NONE   |   OUT_TERM = UNTUNED_50;

压摆率和上下拉采用默认参数，SLOW slew rate， 12mA  output drive。

（b）SRAM输入端IO standard，地址管脚和数据管脚尽可能均匀分配在某一个或多个Bank中。

地址总线输入端（单端接口）需匹配50Ω端接电阻，差分时钟输入端（差分接口）需要匹配100Ω的端接电阻，见下图所示。

                        地址总线输入接口                                                                                          差分时钟输入接口

说明：1.  SRAM输入管脚的端接电阻尽可能靠近管脚，以保证信号的完整性；

             2.  每一组bank均有独立的Vcco和Vref，便于配置variable IO standard；

             3. 为减少SSO（simultaneous switching output）的大量输出管脚电平同一方向切换的干扰，可以增加virtual                          

                 VCC/GND pins，即将该bank未用到的管脚在FPGA程序中设置为GND或VCC；

3.2   LVDS差分IO接口驱动

        LVDS：低压差差分信号，每位数据需要一对差分信号线，相较于单端接口，差分接口可以抑制共模噪声，电压摆幅约350mV，因此信号传输功耗较低。LVDS接口传输速率上限可达3.125Gbit/s，如果配合相应的编码规则（如8b/10b）和使用SERDES技术，可以保证常用高速信号通信。

        差分信号输入端需要端接匹配电阻，如果输入端为FPGA管脚，可以通过配置，使能其内置端接电阻，阻值默认为100Ω。UCF配置LVDS接口如下：

说明：1.  压摆率越快，电平转换时间越短，时间性能越优；

             2.  Spartan6 FPGA所有Bank均支持LVDS差分输入，但只有Bank0和Bank2支持LVDS差分输出；　　

      审核编辑：彭静