FPGA中多标准IO端口的设计

【摘要】现场可编程门阵 (FPGA，Field Programmable Gate Array)是可编程逻辑器件的一种。

>> 基于Actel FPGA的双端口RAM设计 L?DACS1中多速率卷积编码器的设计与FPGA实现 LZW标准化输出的FPGA设计 基于FPGA的高级加密标准AES设计与实现 基于FPGA的多通道数据采集系统的设计 多通道EOPDH/EOS网桥芯片的FPGA设计 基于FPGA的串口控制多通道脉冲设计 基于Cameralink标准的DSP+FPGA数字图像处理系统设计 基于FPGA的IRIG?B标准DC code编码器VHDL设计 基于FPGA的多串口51单片机的设计与实现 基于FPGA的多通道高速信号采集器的设计 基于FPGA的多通道高速数据传输系统的设计 多片大规模FPGA的ASIC原型验证平台快速设计方法 基于多FPGA的片上网络模拟平台设计和实现 一种基于FPGA的多通道数据采集系统设计与实现 基于FPGA的多通道双频数字接收机设计 一种基于FPGA的多通道脉冲检测系统设计与实现 彩色PDP中FPGA的时序控制设计 FPGA设计中功耗的分析与仿真 FPGA设计中的跨时钟域问题 常见问题解答 当前所在位置：中国论文网 > 教育 > FPGA中多标准IO端口的设计 FPGA中多标准IO端口的设计 杂志之家、写作服务和杂志订阅支持对公帐户付款！安全又可靠！ document.write("作者：未知 如您是作者，请告知我们")

申明:本网站内容仅用于学术交流，如有侵犯您的权益，请及时告知我们，本站将立即删除有关内容。 【摘要】现场可编程门阵 (FPGA，Field Programmable Gate Array)是可编程逻辑器件的一种。 FPGA已广泛地运用于通信领域、消费类电子和车用电子。I／O端口模块是FPGA中最主要的几个大模块之一，它的主要作用是提供封装引脚到CLB之间的接口，将外部信号引入FPGA内部进行逻辑功能的实现并把结果输出给外部电路，并且根据需要可以进行配置来支持多种不同的接口标准。FPGA允许使用者通过不同编程来配置实现各种逻辑功能，在I/O端口中它可以通过选择配置方式来兼容不同信号标准的I／O缓冲器电路。【关键词】现场可编程门阵列输入／输出I／O标准一．FPGA概述

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA能完成任何数字器件功能，上至高性能CPU,下至简单ASIC电路，都可以用FPGA来实现。利用FPGA，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由设计一个数字系统。通过软件仿真，我们可以事先验证设计的正确性。在PCB完成以后，还可以利用FPGA在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。FPGA的这些优点使得FPGA技术在90年代以后得到飞速的发展，同时也大大推动了EDA软件和硬件描述语言(HDL)的进步。

FPGA包括3个大模块和若干小模块。3个大模块指：(1)可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)；(2)输出输入模块lOB(Input Output Block)；(3)内部连线(Interconnect)。这3部分占据了整块芯片90％以上的面积。此外，FPGA还包括一些周边电路，如配置电路模块、边界扫描／回读模块、DLL时钟控制模块、上电复位模块、电压补偿模块等，它们大多分布在芯片边界，共同完成FPGA功能。二．I／O模块描述

FPGA中的I／O接口的主要作用是提供封装引脚到CLB(Configurable Logic Block)之间的接口，将外部信号引入FPGA内部进行逻辑功能的实现并把结果输出给外部电路，并且根据需要可以进行配置来支持多种不同的接口标准.图1基本Actel FPGA结构

Actel FPGA系列都有一个稍微不同的I/O模块。在ACT1系列里的简单I/O模块优化了低耗费，还有综合系列里面的门闩I/O模块提供了一个在速度与价格间的平衡。ACT3里的注册I/O模块在同步应用上为了高速度被优化。要了解关于每种I/O模块的更多知识，参考相关的设备产品说明书和应用知识。

用于ACT1系列的简单I/O模块（图2所示）是Actel最初发展得I/O模块，也是与逻辑阵列相连的一个简单I/O缓冲器。全部输入，输出和三门控制信号都能应用于阵列。输出是相兼容的晶体管-晶体管逻辑(电路)和互补金属氧化物半导体，并且在电流晶体管-晶体管逻辑(电路)级别上电流时10mA。

图2 简单I/O模块三．多标准IO电路单元模块的实现

FPGA中的I／O接口的主要作用是提供封装引脚到CLB之间的接口，将外部信号引入FPGA内部进行逻辑功能的实现并把结果输出给外部电路，并且根据需要可以进行配置来支持多种不同的接口标准。例如Virtex．E型号FPGA中高灵活性Select I／O技术一共支持了20种高性能接口标准。如表3。表3 Virtex．E型号FPGA支持的IO标准

因为I／O电路主要作用是为数字逻辑电路(CLB)提供输出驱动能力与输入驱动能力的一个接口电路，如果没有该电路，那么数字电路的输出将只有一个电压标准(芯片工作电压)，而且也不能满足外部驱动能力的要求。因此所谓不同的接口标准，实际上体现在I／O上就是不同接口标准对输出电压与输出电流大小的要不同，I／O接口电路显然是不能简单的用一个由Buffer缓冲器来代替。根据图3．1可以得知Virtcx．E的FO需要支持20种不同的接口标准，而Virtex．E仅仅是Virtcx系列比较早期的型号，越为先进的型号，它们支持的I／O标准数量越多。为了适应越来越繁多、层出不穷的I／O标准，FPGA的多标准IO接口模块设计必须按照一个核心思想：不去考虑各种不同接口协议的具体编码规则，而是着重于不同接口协议的电气特性参数有哪些不同。不同I／O标准的电压、电流要求不同。四．I／O接口电路测试方案

由于设计的I/O接口电路每次只能支持一种接口标准的输入输出功能，因此如果采用传统单次功能配置的方法将会导致配置次数数量极为庞大。所以，I／O在进行功能测试时，可以采用交叉互补配置原理的测试方法，即对芯片不同位置的所有I／O同时进行配置，以尽量减少配置次数。

具体测试方案如下：(1)功能测试：首先将芯片中所有的I／O资源两两配对使用，一个为输入，一个为输出使用：按照配对情况，分别配置输入输出功能，检测每对I／O的功能是否正确：将上述I／O对中的输入输出配置取反，重新配置，检测功能是否正确。(2)参数测试：首先通过在芯片内写入特定的时序逻辑与组合逻辑，并按照测试条件加入相应输入激励信号。输出驱动电流的测试方法：为验证其不同接口标准下的输出驱动能力，需考虑通过施加一定的负载来检测当其输出达到设计要求的高、低电平时，所能输出的驱动电流大小。五．总结

从总体结构出发，将FPGA中的I/O电路分为三大部分，既用于储存配置信息和实现I/O可编程的阵列、I/O布线矩阵资源以及I/O电路多标准兼容功能实现模块，其中多标准I/O兼容模块分为触发器模块、输入缓冲器模块和输出缓冲器模块，针对各种单端I/O输入／输出标准，自上而下设计了它们的电路。此电路具备很好的灵活性，可通过编程使电路能够兼容多种标准的单端标准和伪差分标准。同时，此电路也具备很好的可扩展性。最后提出了I/O接口电路的测试方案，以验证设计的可实现性。参考文献［1］R.Jacob Baker,Harry W.Li,and David E.Boyce.CMOS:circuit Design,Layout,and Simulation［M］.北京：机械工业出版社，2003. ［2］ （美）尤耶缪拉（Uyemura，J.P.）著；周润德译；超大规模集成电路与系统导论；电子工业出版社 2004.1［3］ 朱明程，熊元姣主编；ACTEL 数字系统现场集成技术；北京：清华大学出版社 2004.7