XILINX 7系列FPGA_SelectIO_xilinx ipads

FPGA适合数据的并发性处理，但是数据从何而来，这就是本文所要说的SelectIO——数据传输的先锋部队

• 1.IO接口简介

• 2.IO逻辑资源简介

• 3.高级IO逻辑资源简介

• 4.IO_FIFO篇简介

1.IO接口简介

从本篇开始的接下来共三篇，咱们聊一聊xilinx 7系列FPGA的SelectIO。所谓SelectIO，就是I/O接口以及I/O逻辑的总称。SelectIO 篇可以分成3部分：第1部分介绍I/O的电气特性，第2部分介绍I/O逻辑资源，第3部分介绍高级的I/O逻辑资源（serializer/deserializer）。本篇咱们来说说xilinx 7系列FPGA的I/O的电气特性。

说到I/O，咱们必须先提到FPGA的BANK。在7系列的FPGA中，BANK分为HR(High-range)BANK和HP(High-performance) BANK。HP BANK只能支持小于等于1.8V电平标准的I/O信号，HR BANK则支持小于等于3.3V电平标准的I/O信号。HP BANK专为高速I/O信号设计，支持DCI（数控阻抗），而HR BANK则适合更大众化的所有I/O信号设计。下表列出了HP BANK 和HR BANK的特性。

无论是HR或者HP BNANK，每个BANK都包含50个I/O管脚，每个I/O管脚都可配置成输入、输出。每个BANK的首尾管脚只能作为单端I/O，其余48个I/O则可配置成24对差分I/O。

单端的I/O管脚支持LVTTL、LVCMOS、HSTL、PCI等等常用的电平标准。差分的I/O管脚则支持LVDS、差分HSTL等差分信号。但在其官方文档中，竟然没有描述支持很常用的LVPECL差分信号，甚是奇怪。如下图所示为1个I/O接口示意图（IOB）：

总的来说，7系列FPGA同前几代相比，最大的区别就是：

• 多了专用于高速接口信号的HP BANK，该BANK最高只能支持1.8V电平。
• 每个BANK多达50个I/O。

其它电气性能基本保持一致，对咱们的使用不造成影响。

2.IO逻辑资源简介

上篇咱们简单的说了I/O的电气特性，本篇咱们接着介绍I/O逻辑资源，先贴上两张图。图1为HPBANK的I/O模块，图2为HRBANK的I/O模块，两者区别在于后者无ODELAYE模块。

I/O逻辑资源主要包含5部分：

1， ILOGIC

ILOGIC即输入信号处理逻辑，紧挨着IOB，外界的输入信号最先经过的就是ILOGIC。ILOGIC是由许多的数据选择器和一个IDDR(input

Double data rate)触发器构成。该触发器既可以双沿捕获输入数据也可以拆分成普通单沿触发器。在HP BANK中，ILOGIC被称为ILOGICE2，在HR BANK中，ILOGIC被称为ILOGICE3。下图给出了ILOGICE3的示意图：

2， IDELAY

IDELAY被称为信号延迟模块，它的作用就是把信号延迟一段时间。对于一些需要对齐的输入信号来说，这至关重要。在7系列FPGA中，它被称为IDELAYE2。IDELAYE2可以将信号延迟0~31节，在这区间任意可调，并且每节的延迟精度约为78ps（1/(32×2×FREF)，FREF为IDELAYCTRL的参考时钟）。下图为IDELAYE2例化框图。

3， IDELAYCTRL

IDELAYCTRL其实是个辅助模块，这么说吧，只要咱们使用了IDELAY或者ODELAY，IDELAYCTRL必须被使用，要不然就无法正常工作。因为IDELAY或者ODELAY的延迟精度是由IDELAYCTRL的输入时钟决定的，一般为200MHz。下图为IDELAYCTRL例化框图。

4， ODELAY

ODELAY和IDEALY的使用方式差不多，只不过ODELAY是用作输出信号的延迟。另外，HR BANK内没有ODELAY，HP BANK才有，被称为ODELAYE2。使用ODELAYE2时同样需要例化IDELAYCTRL。下图为ODELAYE2例化框图：

5， OLOGIC

LOGIC包括2个部分：一个用于配置输出路径。另外一个用于配置三态控制路径。输出路径和三态控制路径都可以独立配置成沿触发器、ODDR以及组合逻辑输出。

总得来说，I/O逻辑资源就是用来获取或者输出信号。对面一般的低速信号而言，I/O逻辑资源体现不出优势，用不用都不影响最终结果，但是对于高速信号而言，就必须使用I/O逻辑资源了，不能够正确使用它，整个FPGA逻辑代码完全无用。但是FPGA不就是用来处理高速信号的么？所以I/O这一块应该是整个FPGA的精华之处，当然也是使用最难的部分了。。。。。。

为了方便咱们使用I/O逻辑资源，xilinx公司专门将本篇介绍的几种模块集中起来，构成了功能强大的源语ISERDESE2和OSERDESE2，咱们只需要调用源语，正确使用源语就能够完成高级的I/O逻辑设计了，下篇咱们就聊聊高级逻辑资源ISERDESE2和OSERDESE2吧！

3.高级IO逻辑资源简介

上一篇咱们介绍了IO逻辑资源，本篇咱们来聊一聊高级的IO逻辑资源，即ISERDESE2模块和OSERDESE2模块。

所谓ISERDESE2模块，即Input serial-to-parallel converters。该模块的作用就是实现高速源同步输入数据的串并转换。

所谓OSERDESE2模块，即output parallel-to-serial converters。该模块的作用就是实现高速源同步输出数据的并串转换。

先说ISERDESE2。该模块接收外部输入FPGA的高速源同步串行信号，在FPGA内部将其转换为用户需要的并行数据信号。如图1所示为ISERDESE2的功能框图，咱们可以将按照功能分成5个部分：

1， 外部串行数据输入端

该部分接收外部输入的高速源同步数据，数据可以为SDR或者DDR。在SDR模式时，数据转换的位宽可以为2、3、4、5、6、7、8bit。在DDR模式时，数据转换位宽为4、6、8bit，当然如果是2个ISERDESE2级联使用，DDR模式可以支持10、14bit。

2， 时钟接口

该部分提供ISERDESE2工作的高速源同步串行时钟、并行数据获取时钟以及控制时钟。如图2所示为源同步时钟接入ISERDESE2的用法。

3， 并行数据输出端

该接口就不用多说了，就是最终咱们需要的并行数据。SDR模式下为2、3、4、5、6、7、8bit，DDR模式下为4、6、8、10、14bit。

4， 级联接口

该接口是实现DDR模式下10bit、14bit位宽的关键接口，通过该接口与另外一个ISERDESE2级联，两者共同完成10bit、14bit数据的串并转换。如图3即为2个ISERDESE2的级联使用。

5， 数据对齐模块

该模块又称作Bitslip模块，用来实现并行数据的边界对齐。比如咱们外界串行输入的8bit的数据，经过串并转换后，能获取8bit的并行数据，但这并行数据可能存在前后8bit数据之间的错位，这是串并转换无法识别的，因此Bitslip就专门用来找到用户需要的并行数据边界。

图4给出了Bitslip是如何确定并行数据的边界：对于SDR模式，Bitslip使能1次，则数据会左移1次，对于8bit并行数据，移动8次完成一个循环，可以这样无止境的循环，直到找到用户定义的并行数据。对于DDR模式，Bitslip工作方式不同，Bitslip使能1次，数据会右移1次或者左移3次，两者交替进行，同样移动8次完成一个循环。

咱们再说OSERDESE2模块。该模块和ISERDESE2模块不同，少了Bitslip模块，多了一个三态控制模块，可以实现三态控制并串转换功能，数据的位宽和咱们介绍的ISERDESE2规则一样。如图5所示为其功能框图：

如图6所示为OSERDESE2的级联设计，实现10、14bit的并串转换功能：

OSERDESE2除了多出了一个三态控制模块，其它和ISERDESE2基本一样，只是数据流反相操作，因此咱们这里主要看一下三态控制模块，该模块主要功能就是实现串行数据流的三态输出，图7给出了三态控制的详细时序结构，从图上我们可以看到，三态控制下，串行数据流有选择性的输出E、F、H，实现了输出串行数据的三态控制。

本篇咱们很简要的介绍完了ISERDESE2和OSERDESE2,大家了解了吗？当然如果要实际使用的话，咱们还得看看具体数据手册啦！在上篇咱们就说过了，IO部分是FPGA内最复杂的部分，也是设计起来最难的部分，要熟悉使用它，咱们还得下功夫钻研！

4.IO_FIFO篇简介

前3篇咱们介绍了 SelectIO 逻辑资源，本篇咱们就聊一聊与SelectIO 逻辑资源水乳交融、相得益彰的另一个概念——IO_FIFO。

1个IO_FIFO包括1个IN_FIFO 和1个OUT_FIFO，它是7系列FPGA新设计的IO专用FIFO，主要用于IOLOGIC（例如ISERDES、IDDR、OSERDES或ODDR）逻辑功能的扩展。

FPGA的每个BANK有4个IN_FIFO和4个OUT_FIFO，相当于每12个IO对应1个IN_FIFO和1个OUT_FIFO。

IN_FIFO从ILOGIC接收4bit位宽的输入数据，但却可以输出4bit或者8bit位宽的数据到FPGA内部SLICE。OUT_FIFO正好相反，从OLOGIC接收4bit或者8bit位宽的输入数据，但却输出4bit位宽数据。

每一个IO_FIFO的存储大小为768bit，可以配置成12组4X4位宽数据的FIFO，也可以配置成10组4X8bit位宽数据的FIFO。每个IO_FIFO的深度为9。如图1所示为IO_FIFO的结构示意图：

如图2所示为IN_FIFO的原语框图：

正如前面所说，当配置成12组的4bit位宽输入，4bit位宽输出时，输入D0[3:0]~ D9[3:0]对应输出Q0[3:0]~ Q9[3:0]；输入D10[3:0]即为输入D5[7:4]，对应输出Q5[7:4]；输入D11[3:0]即为输入D6[7:4]，对应输出Q6[7:4]。

当配置成10组4bit位宽输入，8bit位宽输出时，D0[3:0] ~ D9[3:0]对应输出Q0[7:0]~ Q9[7:0]，此时写时钟频率是读时钟频率的2倍。OUT_FIFO和IN_FIFO操作过程正好相反，咱们这里就不罗嗦了。

总的来说，IO_FIFO其实就是存储深度比较小、位宽固定为4/8bit的普通FIFO ，7系列FPGA单独设计了这样的FIFO，更适用于IO接口处的字节\半字节数据缓存。