Vivado使用技巧（14）：IO规划方法详解

本系列第13篇简单介绍了使用RTL工程IO布局工程两种方法定义IO Ports。在I/O Planning View Layout中（IO布局工程中是Default Layout），显示了FPGA器件资源、封装管脚、I/O Ports等详细信息。设计者借助这些信息来完成I/O规划。

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创建单端/差分I/O Ports

RTL工程会直接从RTL设计中获取I/O端口信息；IO布局工程可以从CSV/XDC文件中导入I/O端口信息，或者人工创建I/O端口（RTL工程不允许人工创建）。在I/O Ports窗口中右键->Create I/O Ports，弹出窗口：

设置端口名称、方向、是否是差分对、是否是总线、I/O标准、上下拉类型、端口位置等信息，当方向为Output时还可设置驱动强度和压摆率。

如果希望将I/O Ports窗口中已有的单端I/O组合为一对差分信号，选中两者，右键->Make Diff Pair：

点击Swap可以交换差分对的P端和N端。差分信号在I/O Ports窗口中只显示在一行里中（只会显示P端信号，N端信号显示在Neg Diff Pair属性栏中）。如过希望将一组差分信号拆成两个单端信号，右键->Split Diff Pair即可。上述功能只能在I/O规划工程中使用，不能在RTL工程中使用。

上述功能操作所对应的Tcl命令如下：

create_port port_1 -direction in  #创建一个单端I/O
create_port port_2 -direction in -diff_pair #创建一个差分I/O
make_diff_pair_ports port_1 port_2 #组合一个差分对
split_diff_pair_ports port_1 port_2 #拆开一个差分对

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配置I/O Ports

Xilinx的FPGA器件支持可配置的SelectIO接口驱动器和接收器，支持多种标准接口。这些标准接口包含如下功能：可编程的输出强度和压摆率控制、使用DCI的片内端接、生成内部参考电压。

配置可以直接在I/O Ports窗口的属性列中进行，也可以点击右键->Configure Ports，在下面窗口中配置：

其中Pull type包括弱上拉PULLUP、弱下拉PULLDOWN和保持KEEPER和NONE四种，前两种让三态输出或双向端口在不被驱动时可以避免浮动，KEEPER可以让其保持当前的值。

每一个端口都有Fixed属性，表明该逻辑端口是由用户赋值的。端口必须保持锁定状态，才能避免生成比特流时不会发生错误。选中I/O端口，右键菜单中通过Fix Ports和Unfix Ports来切换端口状态。

RTL工程中，端口的方向只能从RTL源文件中获取，不能人工定义；在I/O规划工程中，需要人工定义I/O的方向。对于7系列、Zynq系列、UltraScale系列FPGA而言，所有I/O端口PACKAGE_PIN和IOSTANDARD属性必须有明确的值，否则不能生成bit流文件。

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I/O Port接口的使用

Vivado提供了接口（Interface）用于管理有功能关系的一组I/O和总线。一组接口的属性可以同时赋值，减轻工作量，也有助于将接口隔离在某一时钟区域或PCB布线范围内。

在I/O Ports中选中所有需要组合在一起的信号，右键->Create I/O Port Interface，在新窗口中选中接口名称：

创建好的接口会按一定层次关系显示在I/O Ports窗口中：

添加其它I/O端口到接口中，选中I/O，右键->Assign to Interface，选中需要添加的接口即可；如果要从接口中移除某些I/O，右键->Unassign from Interface。

如果要删除某一接口，选中该接口右键->Delete或之间按键盘上的Delete按键，弹出如下窗口中，只选择接口点击OK即可。

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Prohibit属性的使用

Vivado提供了Prohibit属性，设置了该属性的I/O管脚或I/O Bank会屏蔽掉端口布局。在Package Pin窗口中选中需要屏蔽的I/O，勾选中Prohibit：

在Device和Package窗口中相应的管脚会显示为带斜杠的圈：

上述功能操作所对应的示例Tcl命令如下：

set_property PROHIBIT 1 [get_sites U17]  #屏蔽一个I/O的布局
set_property PROHIBIT 0 [get_sites U17]  #解除屏蔽

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I/O Ports布局

如果已经提前知道了I/O端口和封装管脚之间的联系，直接在I/O Ports中填写即可。如果需要进行I/O Ports布局，Vivado提供了如下三种方法：

1. 顺序布局：选中需要布局的I/O，右键->Place I/O Ports Sequentially，在Device窗口中依次点击，选择布局的位置，直到所有I/O全部布局完成。
2. I/O Bank布局：选中需要布局的I/O，右键-> Place I/O Ports in an I/O Bank，在Device窗口中点击一个管脚位置，Vivado会尽可能的将I/O布局在该管脚所在的Bank中。如果还有I/O没有赋值，需要继续点击选择位置，直到所有I/O全部布局完成。
3. 区域布局：选中需要布局的I/O，右键->Place I/O Ports in a Defined Area，箭头变为十字，在Device窗口中拖动一个矩形区域，Vivado会尽可能的将I/O布局在该区域中。如果还有I/O没有赋值，需要继续选择区域，直到所有I/O全部布局完成。
   注意，所有布局方式所用的布局顺序都与端口在I/O Ports窗口中排列的顺序有关，如有需要应该在布局前先调整I/O在I/O Ports中的顺序。

除了人工布局外，Vivado还提供了自动布局功能。Vivado可以根据I/O标准和差分对规则，自动将I/O端口赋值到封装管脚上。在I/O Ports窗口中选择需要布局的I/O，在Tools菜单栏中点击I/O Planning->Auto-place I/O Ports：

选择布局全部I/O或仅布局选中I/O，点击下一步：

如果选中的I/O中有部分已经赋值，会出现如上窗口，选择保持原有赋值或寻找新的赋值位置，点击下一步，再点击Finish即可运行自动布局。接下来再介绍I/O布局过程中可能会用到的两个小操作：

• 交换布局位置：选中需要交换位置的两个I/O，右键->Swap Location；
• 移除已经完成的布局：选中需要删除布局的I/O，右键->Unplace;

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I/O规划工程迁移为RTL工程

已经完成的I/O规划工程可以直接迁移为RTL工程，端口定义会用于创建RTL设计中的顶层模块（该过程不可逆，RTL工程不可迁回I/O规划工程）。在File菜单或Flow Navigator中点击Migrate to RTL：

Top RTL file设置顶层模块文件；Netlist format选中Verilog或VHDL；选中write diff buffers会将差分对缓存器保留在顶层模块定义中。点击OK迁移完成后，即可以RTL工程为基础完成FPGA设计，工程中有一个包含I/O约束的XDC文件。