Xilinx FPGA时钟及I/O接口规划（一）

引言：从本文开始，我们介绍Xilinx FPGA时钟及I/O接口规划设计。I/O和时钟规划是定义和分析FPGA和印刷电路板（PCB）之间连接的过程，并将各种互连信号分配给FPGA器件的物理管脚，正确的规划I/O端口和时钟分配会提高FPGA系统性能、减少设计迭代和缩短计开发时间。本文主要介绍时钟及I/O规划的各个阶段及流程要点。

1.1 概述

I/O和时钟规划过程会涉及PCB设计师、FPGA设计师和系统设计师，通常会关注一下几点内容：

• 简化关键信号连接，缩短信号长度，避免信号交叉；

• 保持输入和输出器件高速信号的完整性；

• 选择可能与备用设备一起使用的I/O配置；

• 确定PCB上的电源和接地信号可用性；

• 确定PCB适当去耦的要求；

• 确定器件编程和调试注意事项。

通常，设计人员会受到非最佳引脚的阻碍，在试图满足时序和信号完整性要求时，会导致进一步延迟。通过考虑从PCB到FPGA芯片的数据流，可以快速实现最佳的引脚配置，从而减少内部和外部走线长度以及路由拥塞。I/O和时钟规划主要利用Vivado®集成设计环境（IDE）的图形用户界面（GUI）完成。

1.2 I/O和时钟规划阶段

图1、FPGA器件管脚布局

Vivado Design Suite有助于在设计过程的不同阶段进行I/O和时钟规划，实现从PCB设计师和FPGA设计师之间的初始协作到完全实现设计的验证。随着设计在设计流程中的推进，更多的信息变得可用，从而实现更复杂的分析和规则检查。例如，在设计流程的早期分析使用估计数据，例如延迟信息，而对综合网表或实现的设计的分析使用实际器件和互连延迟。

正确的I/O分配取决于FPGA的结构、PCB设计的要求以及两者之间的交互。I/O端口分配（定义PCB信号如何进入FPGA设计或输出到电路板）和时钟资源分配（定义设计中时钟树的结构）通常一起完成。例如，器件上的某些管脚用作时钟管脚是最佳的，而其他管脚对于数字控制阻抗（DCI）级联和内部电压参考（VREF）是最佳的。

某些类型的IP，如内存IP、千兆收发器（GT）、Xilinx的高速IO IP以及PCI Express®（PCIe）和以太网接口都有与之相关的I/O端口。在开始I/O规划过程之前，必须使用Vivado Design Suite中的IP功能正确配置此IP。由于这些接口通常对时序最为关键，因此在考虑设备管脚分配时，将此IP用作起点。此外，使用此IP时，请使用RTL或综合设计。

• RTL前I/O规划

在进行RTL设计前，可以创建一个空的I/O规划工程，以便在设计源文件可用之前启用早期器件初始I/O端口分配。使用这种方法，PCB和FPGA设计师能够就早期的引脚定义达成一致，从而消除设计周期后期与设备引脚更改相关的迭代。使用I/O规划工程，您可以：

• 从PCB设计器导入器件和I/O端口分配，或手动创建I/O端口；

• 导出器件和I/O端口分配，以交给PCB设计师，或在设计过程中稍后使用；

• 解决端口定义和引脚分配后，将I/O规划工程迁移到RTL项目；

• 根据端口定义，为顶层设计创建Verilog或VHDL模块定义。

完成I/O规划工程中的端口分配后，可以将该工程迁移到RTL工程，并为顶层设计创建Verilog或VHDL模块定义。

• RTL I/O规划

在详细的RTL工程中执行I/O规划，通过这种方法，可以选择包括Vivado IP目录中的IP核，也可以包括Vivado IP integrator中的块设计。使用IP目录，您可以自定义IP，使用时钟向导自定义时钟组件，并配置SelectIO™ 使用SelectIO界面向导连接资源。在精心设计中，Vivado工具提供基本的DRC，用于检查端口分配、I/O标准、时钟资源和其他设计细节。您可以使用精心设计完成初始I/O和时钟规划，并导出设备和I/O端口分配，以用于PCB原理图符号生成，或将约束保存在XDC文件中，以便在综合或实现期间使用。

•  网表I/O规划

还可以使用综合的网表执行I/O规划。使用这种方法，可以使用合成的RTL项目，也可以使用综合后的网表创建的网表项目。尽可能使用综合设计来执行I/O和时钟规划。Vivado工具在合成后有更多关于设计的信息，您可以使用自动I/O放置和交互式放置模式来控制I/O端口分配。还可以使用I/O规划视图布局查看设备包的物理管脚与设备上I/O组的管芯焊盘之间的关系。

使用综合设计还可以让您在优化PCB和Xilinx®设备之间的连接时做出更明智的决定。这使您能够更好地与PCB或系统级设计器接口，从而更容易从分配IO放置的IP核（如PCIe或内存IP）合并IO放置。此外，由于所有时钟（包括生成的时钟）都是在综合后定义的，Vivado Design Suite对时钟要求和资源利用率有更大的可见性，并且可以对设计进行更彻底的验证。

建议：为了检查时钟逻辑，Xilinx建议使用综合设计进行验证。为了检查时钟计时，Xilinx建议使用已实现的设计进行验证。

•  最终I/O验证和已实施的设计

您必须使用完全实现的设计来验证最终有效的I/O引脚和时钟配置。正确的时钟资源验证需要所有时钟的完全路由实现。可以检查实现报告中与I/O和时钟相关的消息。最后，与PCB设计师仔细检查I/O端口分配，以确保FPGA在系统级设计中得到正确定义。

1.3 I/O和时钟规划设计流程步骤

图2、I/O和时钟规划设计流程图

图2左侧显示了的项目设计流程步骤。水平箭头指示项目设计流程中可以执行I/O和时钟规划的不同阶段。I/O和时钟规划设计流程中的步骤如图右侧所示。

1) 选择器件及兼容器件

FPGA器件选型时，根据最终设计的资源估算确定器件资源大小。根据PCB要求选择封装，例如通往存储器的关键路径。另外，还要考虑器件的兼容性，因为在设计初期，特别对于未知的算法或逻辑，难以估计资源使用，这时需要选择具有较大资源器件，考虑到后期产品上市成本，又要考虑兼容小资源器件。

2) 选择配置、DCI级联和内部VREF

Xilinx设备每次通电时都必须进行配置。比特流通过启用不同配置模式的特殊配置引脚加载到器件中。应用程序中使用的配置模式可能会影响设计的I/O规划。

在开始I/O分配之前，确定和规划配置模式非常重要。配置模式不仅决定了某些管脚的可连接性，还决定了包括多功能管脚的I/O组所需的VCCO电压。

根据I/O标准，数字控制阻抗（DCI）可以控制驱动器的输出阻抗，或为驱动器、接收器或两者添加并行终端，以匹配传输线的特性阻抗并改善信号完整性。DCI在每个I/O组中使用两个多用途参考引脚来控制驱动器的阻抗或组中所有I/O的并行端接值。

带有差分输入缓冲器的单端I/O标准需要参考电压（VREF）。您可以使用internal_VREF约束生成内部VREF，这样就不需要在PCB上提供特定的参考电压供电轨。在7系列和UltraScale中™ 架构，这可以释放给定I/O库中的多用途VREF引脚，用于其他I/O端口分配。

3) 配置I/O端口和时钟

器件上的I/O端口支持多个I/O相关约束，例如电平标准、压摆率和驱动电流。配置这些端口以支持系统级设计所需的I/O标准。I/O标准定义可能会影响管脚的放置。例如，可以在单个I/O Bank中组合某些I/O标准，但不能组合其他标准。

Xilinx器件被细分为时钟区域的列和行。时钟区域包含可配置逻辑块（CLB）、I/O组、数字信号处理（DSP）片、块随机存取存储器（RAM）、互连和相关时钟资源。每个I/O Bank都包含支持时钟的输入引脚，用于将系统或板时钟引入设备和时钟路由资源。您必须计划使用这些时钟资源，以便将设计中的时钟分布到器件上。

建议：Xilinx建议您使用Vivado IP目录中的时钟向导来生成混合模式时钟管理器（MMCM）或锁相环（PLL）模块，以定义时钟连接。

4) 分配DDR内存控制器I/O端口 

内存IP定义了一个使用预制控制器和物理层（PHY）的内存控制器，用于将FPGA设计与支持的外部内存设备连接。高速内存控制器以及以太网IP和PCI Express®（PCIe）技术IP都有特定的引脚要求，这是由时钟和偏移需求驱动的。

当IP核添加到设计中时，必须定义千兆收发器（GT）、PCIe技术和7系列DDR内存IP的I/O物理引脚分配，作为IP定制的一部分。要更改I/O分配，必须在设计中重新自定义IP。

注意：I/O规划工程不会从复杂IP（如内存控制器、PCIe或千兆收发器）的IP文件中读取物理管脚分配。

5) 放置I/O端口

您可以使用不同的方法将设计中的I/O端口以交互方式分配给器件上的管脚。您可以在I/O端口窗口中选择称为接口的单个I/O端口或I/O端口Bank，并将它们分配给package窗口中的package Pin或Device窗口中的I/O Pad。

6) 运行DRC和SSN分析

在完成I/O和时钟分配后，通过运行设计规则检查（DRC）和同步开关噪声（SSN）分析来分析设计至关重要。DRC根据一组指定的设计规则验证当前设计，并报告任何违规行为。SSN分析估计了同时切换输出可能在I/O组的其他输出端口上造成的干扰。计算和估算将I/O组特定的电气特性纳入预测中，以确定设计中潜在的噪声相关问题。

注意：SSN分析估算旨在确定设计中潜在的噪声相关问题，而不是作为最终设计签核标准。

建议：Xilinx建议您在综合之后、实施之前以及实施之后运行DRC和SSN分析。这使您能够在设计周期的早期发现问题。 

7) 实施设计 

在生成比特流以配置Xilinx器件之前，必须实现该设计。在实现过中，Vivado工具将设计元素放置在器件资源上，布线设计网络，并进行优化以降低功耗和时序收敛。

8) 生成PCB数据（XDC、CSV、IBIS）

I/O和时钟规划是一个迭代过程，包括PCB或系统设计师与FPGA设计师之间的信息交换。它可以从使用从CSV文件导入的目标设备引脚从PCB输入开始。完成I/O和时钟规划流程中的步骤后，可以使用逗号分隔值（CSV）文件和I/O缓冲区信息规范（IBIS）模型返回引脚，以及用于信号完整性分析的设备模型。

1.4 小结

时钟和I/O规划是否合理、正确，对于产品的性能及开发周期有着非常重要的作用。在FPGA电路板及RTL逻辑设计早期进行规划，也是Xilinx快速开发方法学极力推荐的。下一篇博文，我们介绍如何进行FPGA器件的配置，配置方案对时钟及I/O Bank电压标准产生影响。

---

欢迎关注FPGA技术实战公众号，喜欢就多多转发吧！