《Xilinx可编程逻辑器件设计与开发（基础篇）》连载15：Spartan-6的SelectIO资源 开发, 连载, 资源

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2.1.6 SelectIO资源
Spartan-6有丰富的I/O资源，包括SelectIO和RocketIO。
Spartan-6每个I/O片（Tile）包含两个IOB、两个ILOGIC2、两个OLOGIC2和两个IODELAY2，见图2-37。
在这一小节里，分以下几个方面介绍Spartan-6的SelectIO资源。
SelectIO的电气特性。SelectIO的逻辑资源（ILOGIC2、OLOGIC2）。SelectIO的高级逻辑资源（ISERDES、OSERDES、Bitslip）。


图2-37 I/O片结构图
一、 SelectIO IOB的电气特性
所有的Spartan-6 FPGA有高性能的可配置SelectIO驱动器与接收器，支持非常广泛的接口标准。可以通过编程控制I/O的输出强度、斜率以及片上终端OCT。
每个IOB包含输入、输出和三态SelectIO驱动器。这些驱动器可以按照各种I/O标准配置。
单端I/O标准（LVCMOS、LVTTL、HSTL、SSTL、PCI）。差分I/O标准（LVDS、RSDS、TMDS、差分HSTL和SSTL）。注意：差分输入和VREF相关输入是由VCCAUX供电。
Xilinx软件库提供了很多Spartan-6 I/O的原语，包括用于单端信号的IBUF（输入缓冲器）、IBUFG（时钟输入缓冲器）、OBUF（输出缓冲器）、OBUFT（三态输出缓冲器）和IOBUF（输入/输出缓冲器）；以及用于差分信号的IBUFDS（输入缓冲器）、IBUFGDS（时钟输入缓冲器）、OBUFDS（输出缓冲器）、OBUFTDS（三态输出缓冲器）和IOBUFDS（输入/输出缓冲器）。
二、 SelectIO的逻辑资源
SelectIO的逻辑资源是指I/O驱动器与接收器之后的逻辑，包含了Spartan-6 FPGA的所有基本I/O逻辑资源，如图2-38所示。其中包括的资源如下。
组合输入/输出。三态输出控制。寄存器输入/输出。寄存器三态输出控制。双倍数据速率（DDR）输入/输出。DDR输出三态控制。IODELAY2提供对高分辨率可调延迟单元的控制。支持NONE、C0和C1三种对齐模式的DDR输出。支持NONE、C0和C1三种对齐模式的DDR输入。ISERDES。OSERDES。


图2-38 I/O片内的SelectIO逻辑资源
一个I/O片（IOI）管理两个IOB。IOI包含两个单端输入/输出，或者一个差分输入/输出的完整电路和一个内部互联模块。两个IOB组合在一起是为支持高速的差分接口。
在单端模式下，主IOB驱动引脚P，从IOB驱动引脚N。在差分模式下，主从IOB组合在一起可以实现串并转换，其数据速率是单端模式下的1～2倍。每个I/O支持3种配置模式：锁存型I/O、非锁型I/O和寄存器型I/O。I/O还可以配置为2:1/3:1/4:1的SERDES。锁存/寄存器时钟来自GCLK驱动的全局时钟网络或者高速I/O时钟网络。
IODELAY2是一种可选资源，设计者可以根据需要在输入/输出路径上加入此延时模块，IODELAY2的延时是可编程的，可以通过DRP指定或者通过例化IODELAY2原语指定。此延时可以是固定延时，也可以是可变延时。
三、 ILOGIC2资源
图2-39所示为ILOGIC2逻辑框图，它可支持以下功能。
边沿触发D型触发器。IDDR（NONE、C0或C1）模式。锁存器。异步/组合逻辑。


图2-39 ILOGIC2逻辑框图
(1) 异步/组合逻辑。
当有下列情况之一时，软件会自动生成组合通路，使输入驱动器与FPGA内部逻辑资源直接连接。
FPGA的输入数据与内部逻辑直接相连，而没有用寄存器。“打包I/O寄存器/锁存器到IOB中”的属性设置为OFF。(2) IDDR模式。
Spartan-6器件的ILOGIC2中有专用寄存器来实现输入双倍数据速率（DDR）寄存器。可以通过例化IDDR2的原语来使用此功能。
IDDR2的属性DDR_ALIGNMENT有3种模式：NONE、C0和C1。
在NONE模式下，输入DDR时序如图2-40所示。寄存器在C0上升沿将输入数据D寄存到Q0，C1上升沿将下一输入数据D寄存到Q1。



图2-40 DDR_ALIGNMENT=NONE时输入DDR时序示意图
在某些情况下，输入数据必须同步到一个时钟域里，通常C0同步。但是在频率比较高的情况下，这种同步相对比较困难，因为有效时间仅为时钟周期的一半（50%占空比的情况下）。Spartan-6器件中的IDDR2包含了专用的逻辑，可以在ILOGIC2内部进行时钟域的同步。
当DDR_ALIGNMENT为C0（或C1），信号Q0（Q1）在C1（C0）再次寄存，通过内部互联将输入数据同步到同一时钟域。时序图如图2-41所示。



图2-41 DDR_ALIGNMENT=C0\C1 的输入DDR
IDDR 的原语如图2-42 所示。



图2-42 IDDR2 的原语
四、 OLOGIC2 资源
如图2-43所示，OLOGIC2主要由两部分组成，分别是输出数据路径和三态控制路径。
这两个部分可以配置成以下模式。
边沿触发D 型触发器。DDR 模式（NONE、C0 或C1 同步方式）。电平敏感锁存器。异步/组合逻辑。


图2-43 OLOGIC2 逻辑模块
(1) 组合数据输出和三态控制路径。
当有下列情况之一时，软件会自动生成组合通路，将FPGA 内部数据直接输出到输出驱动器或驱动器的控制端。
FPGA 内部逻辑数据直接输出到输出驱动器或驱动器的三态控制端，而没有经过寄存器。“打包I/O 寄存器/锁存器到IOB 中”的属性设置为OFF。(2) ODDR模式。
Spartan-6器件的OLOGIC2中具有专用寄存器，用来实现DDR输出寄存器。例化ODDR2原语可以使用此功能。当使用OLOGIC2时，会自动使用多路复用器，多路复用器的控制端产生于时钟信号，不需要手动控制。ODDR2 有两个时钟输入，相位差180°。
ODDR2 支持以下操作模式。
NONE 模式：允许设计人员在C0 和C1 时钟的上升沿将两个数据通过DDR多路复用器送至输出引脚，如图2-44所示。


图2-44 DDR_ALIGNMENT=NONE 下的ODDR2
C0模式：在时钟C0上升沿时，将两个数据通过DDR多路复用器送至输出引脚。C1模式：在时钟C1上升沿时，将两个数据通过DDR多路复用器送至输出引脚。ODDR原语如图2-45所示。



图2-45 ODDR原语
五、 可编程延迟单元IODELAY2
每个IOB包含一个延时单元，可以配置成输入延时或者输出延时，当引脚用作双向口时，还可以通过T端来控制输入/输出延时的切换。Spartan-6中IODELAY2的延时不会自动补偿温度或电压带来的延时差异，但是用户可以通过精确计算，来设置IODELAY2的具体延时值。
图2-46所示为延时单元的结构图。8位延时值对应0～255个延时Tap，该延时值最低三位控制RING晶振的起始点。该晶振由输入信号触发，经过0～7个Tap的延时之后，其输出作为时钟，用来钟控5位计数器。5位计数器中装载了延时值的高5位，它会一直在0～31循环，直到它的输出翻转到最初输入到该模块时的输入值Data Input。延时精度范围为1~255TAP。



图2-46 延时单元的结构图
此延时单元有两个局限，第一，延时最大值为1个位周期，超过此限制，接收数据会出错；第二，在下一个边沿到来之前，必须完成对第一个边沿的处理，这种情况会发生在接收高速数据流时。
如何避免上述两个局限呢？
对于第一个限制，通过确保延时值小于一个输入数据的位周期（1UI）就可以避免，通常设置为0.5UI，使数据采样点位于眼图的中心。
对于第二个限制，可以通过图2-47所示的两个延时链解决。一个延迟链延时输入数据的正值部分，另一个延时链延时输入数据的负值部分，这个处理机制的价值在于：通过设置两个延迟链的不同延时值，校正了输入数据的占空比。读者可以在设计中调用IODRP2原语使用此功能。



图2-47 每个延时模块使用两个延时链
六、 SelectIO的高级特性
除了上述SelectIO资源之外，Spartan-6还提供了更高级的逻辑特性，介绍如下。
(1) 串并转换器ISERDES2。
图2-48和图2-49分别为ISERDES2接收串行数据时的逻辑框图和时序图，利用ISERDES2将串行数据接收为4位并行数据。从时序图中可以看到，Bitslip为4位数据的同步使能控制信号。



图2-48 ISERDES2逻辑框图



图2-49 ISERDES2时序图（1:4）
ISERDES2可以实现1:2、1:3或1:4串并转换器功能，而且通过级联的方式还可以实现1:5、1:6、1:7、1:8串并转换器功能。
(2) 并串转换器OSERDES2。
图2-50与图2-51分别为OSERDES2的逻辑框图和时序图，利用OSERDES2将4位并行数据转换为串行数据输出。
一个OSERDES2可以实现2:1、3:1、4:1并口转换功能。当用差分输出时，相关的2个IOB中的OSERDES2可以级联，从而可以实现5:1、6:1、7:1和8:1并串转换功能。
设计者可以在HDL设计中，例化ISERDES2/OSERDES2原语来实现输入数据解串和输出数据串行化操作。
利用这些资源，可以很方便地实现高速串行数据的收发，例如用它实现LVDS接口。
更多资料请参考附带光盘中的《Spartan-6 IO资源用户手册》。



图2-50 OSERDES2逻辑框图



图2-51 OSERDES2时序图（4:1）