Xilinx FPGA時鐘及IO接口規(guī)劃（一）

引言：從本文開始，我們介紹Xilinx FPGA時鐘及I/O接口規(guī)劃設(shè)計。I/O和時鐘規(guī)劃是定義和分析FPGA和印刷電路板（PCB）之間連接的過程，并將各種互連信號分配給FPGA器件的物理管腳，正確的規(guī)劃I/O端口和時鐘分配會提高FPGA系統(tǒng)性能、減少設(shè)計迭代和縮短計開發(fā)時間。本文主要介紹時鐘及I/O規(guī)劃的各個階段及流程要點。

1.1 概述

I/O和時鐘規(guī)劃過程會涉及PCB設(shè)計師、FPGA設(shè)計師和系統(tǒng)設(shè)計師，通常會關(guān)注一下幾點內(nèi)容：

簡化關(guān)鍵信號連接，縮短信號長度，避免信號交叉；

保持輸入和輸出器件高速信號的完整性；

選擇可能與備用設(shè)備一起使用的I/O配置；

確定PCB上的電源和接地信號可用性；

確定PCB適當(dāng)去耦的要求；

確定器件編程和調(diào)試注意事項。

通常，設(shè)計人員會受到非最佳引腳的阻礙，在試圖滿足時序和信號完整性要求時，會導(dǎo)致進一步延遲。通過考慮從PCB到FPGA芯片的數(shù)據(jù)流，可以快速實現(xiàn)最佳的引腳配置，從而減少內(nèi)部和外部走線長度以及路由擁塞。I/O和時鐘規(guī)劃主要利用Vivado?集成設(shè)計環(huán)境（IDE）的圖形用戶界面（GUI）完成。1.2 I/O和時鐘規(guī)劃階段

圖1、FPGA器件管腳布局

Vivado Design Suite有助于在設(shè)計過程的不同階段進行I/O和時鐘規(guī)劃，實現(xiàn)從PCB設(shè)計師和FPGA設(shè)計師之間的初始協(xié)作到完全實現(xiàn)設(shè)計的驗證。隨著設(shè)計在設(shè)計流程中的推進，更多的信息變得可用，從而實現(xiàn)更復(fù)雜的分析和規(guī)則檢查。例如，在設(shè)計流程的早期分析使用估計數(shù)據(jù)，例如延遲信息，而對綜合網(wǎng)表或?qū)崿F(xiàn)的設(shè)計的分析使用實際器件和互連延遲。

正確的I/O分配取決于FPGA的結(jié)構(gòu)、PCB設(shè)計的要求以及兩者之間的交互。I/O端口分配（定義PCB信號如何進入FPGA設(shè)計或輸出到電路板）和時鐘資源分配（定義設(shè)計中時鐘樹的結(jié)構(gòu)）通常一起完成。例如，器件上的某些管腳用作時鐘管腳是最佳的，而其他管腳對于數(shù)字控制阻抗（DCI）級聯(lián)和內(nèi)部電壓參考（VREF）是最佳的。

某些類型的IP，如內(nèi)存IP、千兆收發(fā)器（GT）、Xilinx的高速IO IP以及PCI Express?（PCIe）和以太網(wǎng)接口都有與之相關(guān)的I/O端口。在開始I/O規(guī)劃過程之前，必須使用Vivado Design Suite中的IP功能正確配置此IP。由于這些接口通常對時序最為關(guān)鍵，因此在考慮設(shè)備管腳分配時，將此IP用作起點。此外，使用此IP時，請使用RTL或綜合設(shè)計。

• RTL前I/O規(guī)劃

在進行RTL設(shè)計前，可以創(chuàng)建一個空的I/O規(guī)劃工程，以便在設(shè)計源文件可用之前啟用早期器件初始I/O端口分配。使用這種方法，PCB和FPGA設(shè)計師能夠就早期的引腳定義達成一致，從而消除設(shè)計周期后期與設(shè)備引腳更改相關(guān)的迭代。使用I/O規(guī)劃工程，您可以：

• 從PCB設(shè)計器導(dǎo)入器件和I/O端口分配，或手動創(chuàng)建I/O端口；導(dǎo)出器件和I/O端口分配，以交給PCB設(shè)計師，或在設(shè)計過程中稍后使用；解決端口定義和引腳分配后，將I/O規(guī)劃工程遷移到RTL項目；根據(jù)端口定義，為頂層設(shè)計創(chuàng)建Verilog或VHDL模塊定義。

完成I/O規(guī)劃工程中的端口分配后，可以將該工程遷移到RTL工程，并為頂層設(shè)計創(chuàng)建Verilog或VHDL模塊定義。

RTL I/O規(guī)劃

在詳細的RTL工程中執(zhí)行I/O規(guī)劃，通過這種方法，可以選擇包括Vivado IP目錄中的IP核，也可以包括Vivado IP integrator中的塊設(shè)計。使用IP目錄，您可以自定義IP，使用時鐘向?qū)ё远x時鐘組件，并配置SelectIO? 使用SelectIO界面向?qū)нB接資源。在精心設(shè)計中，Vivado工具提供基本的DRC，用于檢查端口分配、I/O標準、時鐘資源和其他設(shè)計細節(jié)。您可以使用精心設(shè)計完成初始I/O和時鐘規(guī)劃，并導(dǎo)出設(shè)備和I/O端口分配，以用于PCB原理圖符號生成，或?qū)⒓s束保存在XDC文件中，以便在綜合或?qū)崿F(xiàn)期間使用。

網(wǎng)表I/O規(guī)劃

還可以使用綜合的網(wǎng)表執(zhí)行I/O規(guī)劃。使用這種方法，可以使用合成的RTL項目，也可以使用綜合后的網(wǎng)表創(chuàng)建的網(wǎng)表項目。盡可能使用綜合設(shè)計來執(zhí)行I/O和時鐘規(guī)劃。Vivado工具在合成后有更多關(guān)于設(shè)計的信息，您可以使用自動I/O放置和交互式放置模式來控制I/O端口分配。還可以使用I/O規(guī)劃視圖布局查看設(shè)備包的物理管腳與設(shè)備上I/O組的管芯焊盤之間的關(guān)系。

使用綜合設(shè)計還可以讓您在優(yōu)化PCB和Xilinx?設(shè)備之間的連接時做出更明智的決定。這使您能夠更好地與PCB或系統(tǒng)級設(shè)計器接口，從而更容易從分配IO放置的IP核（如PCIe或內(nèi)存IP）合并IO放置。此外，由于所有時鐘（包括生成的時鐘）都是在綜合后定義的，Vivado Design Suite對時鐘要求和資源利用率有更大的可見性，并且可以對設(shè)計進行更徹底的驗證。

建議：為了檢查時鐘邏輯，Xilinx建議使用綜合設(shè)計進行驗證。為了檢查時鐘計時，Xilinx建議使用已實現(xiàn)的設(shè)計進行驗證。

最終I/O驗證和已實施的設(shè)計

您必須使用完全實現(xiàn)的設(shè)計來驗證最終有效的I/O引腳和時鐘配置。正確的時鐘資源驗證需要所有時鐘的完全路由實現(xiàn)?？梢詸z查實現(xiàn)報告中與I/O和時鐘相關(guān)的消息。最后，與PCB設(shè)計師仔細檢查I/O端口分配，以確保FPGA在系統(tǒng)級設(shè)計中得到正確定義。

1.3 I/O和時鐘規(guī)劃設(shè)計流程步驟

圖2、I/O和時鐘規(guī)劃設(shè)計流程圖

圖2左側(cè)顯示了的項目設(shè)計流程步驟。水平箭頭指示項目設(shè)計流程中可以執(zhí)行I/O和時鐘規(guī)劃的不同階段。I/O和時鐘規(guī)劃設(shè)計流程中的步驟如圖右側(cè)所示。

1) 選擇器件及兼容器件

FPGA器件選型時，根據(jù)最終設(shè)計的資源估算確定器件資源大小。根據(jù)PCB要求選擇封裝，例如通往存儲器的關(guān)鍵路徑。另外，還要考慮器件的兼容性，因為在設(shè)計初期，特別對于未知的算法或邏輯，難以估計資源使用，這時需要選擇具有較大資源器件，考慮到后期產(chǎn)品上市成本，又要考慮兼容小資源器件。

2) 選擇配置、DCI級聯(lián)和內(nèi)部VREF

Xilinx設(shè)備每次通電時都必須進行配置。比特流通過啟用不同配置模式的特殊配置引腳加載到器件中。應(yīng)用程序中使用的配置模式可能會影響設(shè)計的I/O規(guī)劃。

在開始I/O分配之前，確定和規(guī)劃配置模式非常重要。配置模式不僅決定了某些管腳的可連接性，還決定了包括多功能管腳的I/O組所需的VCCO電壓。

根據(jù)I/O標準，數(shù)字控制阻抗（DCI）可以控制驅(qū)動器的輸出阻抗，或為驅(qū)動器、接收器或兩者添加并行終端，以匹配傳輸線的特性阻抗并改善信號完整性。DCI在每個I/O組中使用兩個多用途參考引腳來控制驅(qū)動器的阻抗或組中所有I/O的并行端接值。

帶有差分輸入緩沖器的單端I/O標準需要參考電壓（VREF）。您可以使用internal_VREF約束生成內(nèi)部VREF，這樣就不需要在PCB上提供特定的參考電壓供電軌。在7系列和UltraScale中? 架構(gòu)，這可以釋放給定I/O庫中的多用途VREF引腳，用于其他I/O端口分配。

3) 配置I/O端口和時鐘

器件上的I/O端口支持多個I/O相關(guān)約束，例如電平標準、壓擺率和驅(qū)動電流。配置這些端口以支持系統(tǒng)級設(shè)計所需的I/O標準。I/O標準定義可能會影響管腳的放置。例如，可以在單個I/O Bank中組合某些I/O標準，但不能組合其他標準。

Xilinx器件被細分為時鐘區(qū)域的列和行。時鐘區(qū)域包含可配置邏輯塊（CLB）、I/O組、數(shù)字信號處理（DSP）片、塊隨機存取存儲器（RAM）、互連和相關(guān)時鐘資源。每個I/O Bank都包含支持時鐘的輸入引腳，用于將系統(tǒng)或板時鐘引入設(shè)備和時鐘路由資源。您必須計劃使用這些時鐘資源，以便將設(shè)計中的時鐘分布到器件上。

建議：Xilinx建議您使用Vivado IP目錄中的時鐘向?qū)砩苫旌夏Ｊ綍r鐘管理器（MMCM）或鎖相環(huán)（PLL）模塊，以定義時鐘連接。

4) 分配DDR內(nèi)存控制器I/O端口

內(nèi)存IP定義了一個使用預(yù)制控制器和物理層（PHY）的內(nèi)存控制器，用于將FPGA設(shè)計與支持的外部內(nèi)存設(shè)備連接。高速內(nèi)存控制器以及以太網(wǎng)IP和PCI Express?（PCIe）技術(shù)IP都有特定的引腳要求，這是由時鐘和偏移需求驅(qū)動的。

當(dāng)IP核添加到設(shè)計中時，必須定義千兆收發(fā)器（GT）、PCIe技術(shù)和7系列DDR內(nèi)存IP的I/O物理引腳分配，作為IP定制的一部分。要更改I/O分配，必須在設(shè)計中重新自定義IP。

注意：I/O規(guī)劃工程不會從復(fù)雜IP（如內(nèi)存控制器、PCIe或千兆收發(fā)器）的IP文件中讀取物理管腳分配。

5) 放置I/O端口

您可以使用不同的方法將設(shè)計中的I/O端口以交互方式分配給器件上的管腳。您可以在I/O端口窗口中選擇稱為接口的單個I/O端口或I/O端口Bank，并將它們分配給package窗口中的package Pin或Device窗口中的I/O Pad。

6) 運行DRC和SSN分析

在完成I/O和時鐘分配后，通過運行設(shè)計規(guī)則檢查（DRC）和同步開關(guān)噪聲（SSN）分析來分析設(shè)計至關(guān)重要。DRC根據(jù)一組指定的設(shè)計規(guī)則驗證當(dāng)前設(shè)計，并報告任何違規(guī)行為。SSN分析估計了同時切換輸出可能在I/O組的其他輸出端口上造成的干擾。計算和估算將I/O組特定的電氣特性納入預(yù)測中，以確定設(shè)計中潛在的噪聲相關(guān)問題。

注意：SSN分析估算旨在確定設(shè)計中潛在的噪聲相關(guān)問題，而不是作為最終設(shè)計簽核標準。

建議：Xilinx建議您在綜合之后、實施之前以及實施之后運行DRC和SSN分析。這使您能夠在設(shè)計周期的早期發(fā)現(xiàn)問題。

7) 實施設(shè)計

在生成比特流以配置Xilinx器件之前，必須實現(xiàn)該設(shè)計。在實現(xiàn)過中，Vivado工具將設(shè)計元素放置在器件資源上，布線設(shè)計網(wǎng)絡(luò)，并進行優(yōu)化以降低功耗和時序收斂。

8) 生成PCB數(shù)據(jù)（XDC、CSV、IBIS）

I/O和時鐘規(guī)劃是一個迭代過程，包括PCB或系統(tǒng)設(shè)計師與FPGA設(shè)計師之間的信息交換。它可以從使用從CSV文件導(dǎo)入的目標設(shè)備引腳從PCB輸入開始。完成I/O和時鐘規(guī)劃流程中的步驟后，可以使用逗號分隔值（CSV）文件和I/O緩沖區(qū)信息規(guī)范（IBIS）模型返回引腳，以及用于信號完整性分析的設(shè)備模型。

1.4 小結(jié)

時鐘和I/O規(guī)劃是否合理、正確，對于產(chǎn)品的性能及開發(fā)周期有著非常重要的作用。在FPGA電路板及RTL邏輯設(shè)計早期進行規(guī)劃，也是Xilinx快速開發(fā)方法學(xué)極力推薦的。下一篇博文，我們介紹如何進行FPGA器件的配置，配置方案對時鐘及I/O Bank電壓標準產(chǎn)生影響。