0 引言

　　最近準備采用Xilinx FPGA進行多機通信，即主FPGA芯片將采集到的不同層的圖像數據流分別輸出給對應的4塊從FPGA芯片中，主從FPGA之間的連接機制采用星形拓撲結構。經計算，圖像數據流接口速率需要數百兆比特/秒，因此需要調研FPGA支持的常見IO接口標準，及每種接口的應用場合。

　　1 常見IO接口標準

　　Xilinx FPGA提供和支持高性能、可配置、多樣化的接口標準。主要的可配置屬性為On-chip terminaTIon（輸入端/輸出端的內置片上端接電阻），output strength（輸出驅動器的電流驅動能力），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，詳細的IO標準參見下圖1。單端IO接口和差分IO接口均滿足高速接口傳輸，區別在于應用場合不同。

　　Xilinx FPGA芯片不同的Bank支持的IO接口標準范圍略有所不同，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，當使用高速IO接口時，在接收端通常需要匹配的端接電阻，有利于高低電平的轉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。

　?。╝）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，FPGA在差分輸入接收器提前內置了端接電阻，其阻值R為100Ω，為可選項opTIonal。設計者也可以采用外接端接電阻來進行電阻匹配，阻值選擇更靈活。采用片上內置的端接電阻可以節省無聊和縮小PCB面積。

　　通過UCF文件進行約束，是否使用差分輸入端接電阻，語法規則如下：NET DIFF_TERM = “” 。

　?。╞）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電平通常應用在DDR SRAM中，例如SSTL18應用在DDR2，SSTL15_II應用在DDR3中。詳見下圖所示。

　　通過UCF文件進行約束，是否使用單端輸入端接電阻，語法規則如下：

　　NET IN_TERM = ;

　?。╟）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，應用在高速單端信號場合，例如FPGA輸出驅動DDR3芯片。輸出端接電阻也是opTIonal可選項，常見阻值R為none，25Ω，50Ω，75Ω。通過UCF文件進行約束，是否使用單端輸出端接電阻，語法規則如下：

　　NET OUT_TERM = ;

　　說明：由上圖可知，FPGA作為輸出端，其端接電阻可以通過內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 設置IO接口屬性

　　常見IO接口屬性包括：電平標準，輸出壓擺率，輸出驅動能力，上/下拉。詳細設置參考下文。

　　2  常見IO接口標準&應用

　　當今大廠家會基于其IO接口的總線應用場合提出新的IO接口標準，隨后被其他廠家所使用。每一種IO接口標準均有其特有的電壓、電流、輸入輸出緩沖和端接匹配技術要求。Xilinx User Guide詳細列出了常見的各種IO接口的種類，定義及應用場合，詳見下文。

　　3   高速IO接口應用舉例

　　基于FPGA的高速IO接口應用的常見例子有兩種，詳見下文。

　　第一種： 采用SSTL15_II接口標準，應用于DDR3 SRAM，屬于single-end IO standard；

　　第二種：采用LVDS33/25接口標準，應用于IOSERDES的高速串行通信，屬于differenTIal  IO standard；

　　3.1  DDR3 SRAM接口驅動

　　FPGA驅動DDR3 SRAM芯片時，FPGA作為輸出源端，SRAM芯片作為終端，故FPGA需要配置output driver 的相關屬性參數attributes。SRAM作為input receiver，需要進行端接電阻匹配，由于沒有內置片上端接電阻，故需要在SRAM輸入管腳外接匹配電阻，由于數據端口是雙向端口，故輸入端是高阻狀態，無需匹配。而地址總線接口和差分時鐘輸入接口需要匹配對應阻值的電阻。

　?。╝）FPGA輸出端IO Standard在UCF文件中參數配置如下：

　　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參數，SLOW slew rate， 12mA  output drive。

　?。╞）SRAM輸入端IO standard，地址管腳和數據管腳盡可能均勻分配在某一個或多個Bank中。

　　地址總線輸入端（單端接口）需匹配50Ω端接電阻，差分時鐘輸入端（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程序中設置為GND或VCC；

　　3.2   LVDS差分IO接口驅動

　　LVDS：低壓差差分信號，每位數據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3.125Gbit/s，如果配合相應的編碼規則（如8b/10b）和使用SERDES技術，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，使能其內置端接電阻，阻值默認為100Ω。UCF配置LVDS接口如下：

　　說明：1.  壓擺率越快，電平轉換時間越短，時間性能越優；

　　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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