FPGA之道（10）布线资源与接口资源

布线资源

FPGA中的布局布线资源主要包括三部分：CB、SB和行列连线。布线资源的目的是为了能够让位于不同位置的逻辑资源块、时钟处理单元、BLOCK RAM、DSP和接口模块等资源能够相互通信，从而协调合作，完成所需功能。FPGA中的布线资源，就好比绘制PCB板时的连线资源一样，虽然器件A和器件B的位置和连接关系没有任何改变，但很可能因为周边电路的布局、布线的一些变化，使得前后两次A、B之间的连线形态发生很大的变化。因此，与采用固定长度的金属线将所有宏单元连接在一起的CPLD不同，FPGA中任意两点之间的线延迟是无法预测的，必须等到布局、布线完成之后才能确定。这也是为什么在FPGA的开发中，时序约束和时序分析这两样工作是必不可少的。

接口资源

接口资源是FPGA芯片的门户，它决定了FPGA芯片与外界交互的能力，因此接口资源是FPGA必须具备的一种资源。按照功能来划分，FPGA的外围接口有负责供电的，有负责接地的，有负责芯片配置的，有负责用户IO的，等等。而这其中最重要的就是负责用户IO的接口资源，按其承载信号的类型又可以细分为用户时钟管脚（一般仅指输入）和用户数据IO。一般来说，用户时钟管脚兼具用户数据IO的功能，但绝大多数数据IO不能兼具用户时钟管脚的特性。区分用户时钟IO和数据IO的关键，就是看其是否有直接连接到时钟网络资源的通路。如果有直接连接到全局时钟网络资源的通路，那么这是一个全局时钟管脚；如果有直接连接到区域时钟网络资源的通路，那么这是一个区域时钟管脚；如果有直接连接到IO时钟网络资源的通路，那么这是一个IO时钟管脚。 当然，做为FPGA芯片制作厂商，它会提供详细的管脚属性资料供大家区分这些管脚，从而达到正确、恰当使用的目的。
针对用户IO资源，Xilinx公司的IOB（Input Output Block）以及Altera公司的IOE（Input Output Element）是其中的代表。用户IO资源最基本的功能就是必须支持单端或差分的输入、输出、双向以及三态模式，因此用户IO的基本原理图如下：

其中，PAD代表FPGA芯片的金属管脚。
除此以外，当传输速度较高时，从用户IO资源到内部逻辑资源块之间的延迟就会显得不可忽略，因此，为了配合较高速度的接口传输，用户IO资源中必须集成一些专有的寄存器和精确的延迟调整功能，来完成较高速度的SDR或者DDR的输入、输出功能。例如，集成了相关功能模块的用户IO资源类似下图：

为了进一步提升接口传输的性能，增加用户使用的便利性，各大FPGA厂商又在用户IO资源中集成了名为SERDES的串并转换器，其中用于输入的叫做ISERDES，用于输出的叫OSERDES。相比于SDR、DDR的模式，SERDES能够做到1:6甚至更高的串并转换比率。下图就是SERDES的工作原理，大家可以参考理解。

最后，用户IO资源还必须支持LVTTL、LVCMOS、LVDS等多种数字电平，有的用户IO资源甚至内部嵌入了用于高频匹配的电阻，这样在电路板布线时，可以省去一些板载的匹配电阻。

专用高速接口资源

为了适应目前越来越高的串行通信速率要求，各大FPGA厂商也早已开始在自己的FPGA产品中嵌入专门的硬件资源用于超高速的串行通信。例如Altera公司的Rocket IO资源和Xilinx公司的Transceiver资源。目前来说，这两种专有的硬件资源都已经能够支持最高达28Gb/s的串行通信速率。