0 引言
最近準(zhǔn)備采用Xilinx FPGA進(jìn)行多機(jī)通信，即主FPGA芯片將采集到的不同層的圖像數(shù)據(jù)流分別輸出給對應(yīng)的4塊從FPGA芯片中，主從FPGA之間的連接機(jī)制采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。經(jīng)計(jì)算，圖像數(shù)據(jù)流接口速率需要數(shù)百兆比特/秒，因此需要調(diào)研FPGA支持的常見IO接口標(biāo)準(zhǔn)，及每種接口的應(yīng)用場合。
1 常見IO接口標(biāo)準(zhǔn)
Xilinx FPGA提供和支持高性能、可配置、多樣化的接口標(biāo)準(zhǔn)。主要的可配置屬性為On-chip terminaTIon（輸入端/輸出端的內(nèi)置片上端接電阻），output strength（輸出驅(qū)動器的電流驅(qū)動能力），slew rate（電壓壓擺率）等。
常見IO接口可分為單端IO接口和差分IO接口，詳細(xì)的IO標(biāo)準(zhǔn)參見下圖1。單端IO接口和差分IO接口均滿足高速接口傳輸，區(qū)別在于應(yīng)用場合不同。
Xilinx FPGA芯片不同的Bank支持的IO接口標(biāo)準(zhǔn)范圍略有所不同，但是同一Bank必須使用同一output drive voltage （VCCO）。
1.1 端接電阻
由上圖2可知，當(dāng)使用高速IO接口時(shí)，在接收端通常需要匹配的端接電阻，有利于高低電平的轉(zhuǎn)換和提高信號的完整性，且端接電阻盡可能的放置在接收端。
（a）差分輸入端接電阻
通常需要在差分輸入端并行端接100Ω的電阻，F(xiàn)PGA在差分輸入接收器提前內(nèi)置了端接電阻，其阻值R為100Ω，為可選項(xiàng)opTIonal。設(shè)計(jì)者也可以采用外接端接電阻來進(jìn)行電阻匹配，阻值選擇更靈活。采用片上內(nèi)置的端接電阻可以節(jié)省無聊和縮小PCB面積。
通過UCF文件進(jìn)行約束，是否使用差分輸入端接電阻，語法規(guī)則如下：NET DIFF_TERM = “” 。
（b）單端輸入端接電阻
由上圖可知，一些單端IO接口也需要輸入端接電阻來匹配信號的完整性，例如HSTL，SSTL。SSTL電平通常應(yīng)用在DDR SRAM中，例如SSTL18應(yīng)用在DDR2，SSTL15_II應(yīng)用在DDR3中。詳見下圖所示。
通過UCF文件進(jìn)行約束，是否使用單端輸入端接電阻，語法規(guī)則如下：
NET IN_TERM = ;
（c）輸出端接電阻
由上圖可知，輸出端（也稱為源端）也可以配置輸出端接電阻，以減少信號的反射，應(yīng)用在高速單端信號場合，例如FPGA輸出驅(qū)動DDR3芯片。輸出端接電阻也是opTIonal可選項(xiàng)，常見阻值R為none，25Ω，50Ω，75Ω。通過UCF文件進(jìn)行約束，是否使用單端輸出端接電阻，語法規(guī)則如下：
NET OUT_TERM = ;
說明：由上圖可知，F(xiàn)PGA作為輸出端，其端接電阻可以通過內(nèi)置端接電阻配置完成，但如果DDR SRAM作為后一級的輸入端，該芯片沒有片上端接電阻，故需要外接50Ω的輸入匹配電阻。
1.2 設(shè)置IO接口屬性
常見IO接口屬性包括：電平標(biāo)準(zhǔn)，輸出壓擺率，輸出驅(qū)動能力，上/下拉。詳細(xì)設(shè)置參考下文。
2 常見IO接口標(biāo)準(zhǔn)&應(yīng)用
當(dāng)今大廠家會基于其IO接口的總線應(yīng)用場合提出新的IO接口標(biāo)準(zhǔn)，隨后被其他廠家所使用。每一種IO接口標(biāo)準(zhǔn)均有其特有的電壓、電流、輸入輸出緩沖和端接匹配技術(shù)要求。Xilinx User Guide詳細(xì)列出了常見的各種IO接口的種類，定義及應(yīng)用場合，詳見下文。
3 高速IO接口應(yīng)用舉例
基于FPGA的高速IO接口應(yīng)用的常見例子有兩種，詳見下文。
第一種： 采用SSTL15_II接口標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于DDR3 SRAM，屬于single-end IO standard；
第二種：采用LVDS33/25接口標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用于IOSERDES的高速串行通信，屬于differenTIal IO standard；
3.1 DDR3 SRAM接口驅(qū)動
FPGA驅(qū)動DDR3 SRAM芯片時(shí)，F(xiàn)PGA作為輸出源端，SRAM芯片作為終端，故FPGA需要配置output driver 的相關(guān)屬性參數(shù)attributes。SRAM作為input receiver，需要進(jìn)行端接電阻匹配，由于沒有內(nèi)置片上端接電阻，故需要在SRAM輸入管腳外接匹配電阻，由于數(shù)據(jù)端口是雙向端口，故輸入端是高阻狀態(tài)，無需匹配。而地址總線接口和差分時(shí)鐘輸入接口需要匹配對應(yīng)阻值的電阻。
（a）FPGA輸出端IO Standard在UCF文件中參數(shù)配置如下：
NET “mcb3_dram_dq[*]” IOSTANDARD = SSTL15_II | IN_TERM = NONE | OUT_TERM = UNTUNED_50;
壓擺率和上下拉采用默認(rèn)參數(shù)，SLOW slew rate， 12mA output drive。
（b）SRAM輸入端IO standard，地址管腳和數(shù)據(jù)管腳盡可能均勻分配在某一個(gè)或多個(gè)Bank中。
地址總線輸入端（單端接口）需匹配50Ω端接電阻，差分時(shí)鐘輸入端（差分接口）需要匹配100Ω的端接電阻，見下圖所示。
地址總線輸入接口
差分時(shí)鐘輸入接口
說明：1. SRAM輸入管腳的端接電阻盡可能靠近管腳，以保證信號的完整性；
2. 每一組bank均有獨(dú)立的Vcco和Vref，便于配置variable IO standard；
3. 為減少SSO（simultaneous switching output）的大量輸出管腳電平同一方向切換的干擾，可以增加virtual
VCC/GND pins，即將該bank未用到的管腳在FPGA程序中設(shè)置為GND或VCC；
3.2 LVDS差分IO接口驅(qū)動
LVDS：低壓差差分信號，每位數(shù)據(jù)需要一對差分信號線，相較于單端接口，差分接口可以抑制共模噪聲，電壓擺幅約350mV，因此信號傳輸功耗較低。LVDS接口傳輸速率上限可達(dá)3.125Gbit/s，如果配合相應(yīng)的編碼規(guī)則（如8b/10b）和使用SERDES技術(shù)，可以保證常用高速信號通信。
差分信號輸入端需要端接匹配電阻，如果輸入端為FPGA管腳，可以通過配置，使能其內(nèi)置端接電阻，阻值默認(rèn)為100Ω。UCF配置LVDS接口如下：
說明：1. 壓擺率越快，電平轉(zhuǎn)換時(shí)間越短，時(shí)間性能越優(yōu)；
2. Spartan6 FPGA所有Bank均支持LVDS差分輸入，但只有Bank0和Bank2支持LVDS差分輸出；
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