FPGA上电后IO的默认状态

概述

在进行FPGA硬件设计时，引脚分配是非常重要的一个环节，特别是在硬件电路上需要与其他芯片通行的引脚。Xilinx FPGA从上电之后到正常工作整个过程中各个阶段引脚的状态，会对硬件设计、引脚分配产生非常重要的影响。这篇专题就针对FPGA从上电开始 ，配置程序，到正常工作整个过程中所有IO的状态进行分析。

从时间阶段可以分为两部分，第一阶段是从FPGA上电开始直到配置（Configuration）完成之前。第二个阶段是配置完成之后，FPGA开始正常工作开始。

从引脚类型上分，可以分为三大类：第一类是普通的IO，其中又分为程序设计中使用到的IO和程序设计中没有使用的IO（即在ucf或者XDC文件中没有进行约束的IO）；第二类是专用下载配置引脚（Dedicated Pins），这类引脚只用于专用的功能，包括有M[2：0]、TCK、TMS、PROGRAM_B、INIT_B等。第三类为功能复用引脚，这类引脚在使用特定的功能时使用，例如在使用BPI配置模式时，D[00-31]和A[00-28]需要使用。如果使用SYSMON时，I2C_SDA和I2C_SCL需要使用。但在当前没有使用该功能的情况下，功能复用引脚可以看成普通IO。

FPGA IO的基本结构

在《IO输入输出的各种模式》介绍了处理器IO的各种输入输出模式以及原理，那么FPGA的IO是什么样的结构和原理？图 1为Xilinx文档中提供的IOB的内部结构，可以看出：

在FPGA IOB内部，Pad输出之前，内置上下拉电阻。且可以通过Passive Pull-up/Pull-down模块控制两个MOS管的导通与否来控制是否使能上下拉电阻。

内部连接Pad的分别有一个Input Buffer和Output Buffer。其中Input Buffer对外应该始终呈现高阻状态，同时可以将Pad上的电平通过Input Buffer传到I1和I2，或者是下部的FF。Output Buffer有两个控制信号，分别是Slew Rate Control，用来控制输出信号的Slew Rate；另一个是三态控制信号T，可以控制Output Buffer输出高阻。

内部输出信号Out，可以通过上半部分的FF，经Output Clock同步后打出，也可以直接连接到Output buffer的输入端，直接输出。

同样Input Buffer的输出，可以直接连接到I1和I2，也可以经过下半部分的FF，经过input clock的同步之后输出到内部总线上。

上下两个MOS并不是推挽输出的两个MOS管，因为并不受到互补信号的控制，并不一定一个导通另一个闭合。

 

这里介绍一下输入缓存器的结构和原理，其结构如图 2所示，其原理与推挽输出电路非常类似，只是输入端信号作为了两个互补MOS管的控制端，控制着输出端的电平。由于输入缓冲器有自己的供电电压，所以输入电平必须与缓冲器的电源电压相匹配。D1和D2两个钳位二极管用于防治输入电压过低或者过高，损坏输入缓冲器。

 

普通IO

配置完成之前

在FPGA上电到配置完成之前，由于当前FPGA还没有下载程序，无法区分哪些引脚被设计所使用，哪些引脚没有被使用。此时的普通IO包括两部分：
1. 该封装中所有的通用IO引脚。
2. 当前所选择的模式下没有使用到的所有功能复用管脚。

在Spartan6系列以及之前的器件中这些引脚的状态是根据HSWAPEN的状态决定的。

 

在7系列以后的器件，包括Ultrascale器件中，这些引脚的状态是根据PUDC_B(Pull-Up During Configuration)引脚

 

这两个引脚的功能是相似的，都是用来控制在Configuration完成之前，所有普通IO的上拉电阻是否使能的。对应到图 1中，即Output Buffer输出高阻，Input Buffer对外始终为高阻，此时选择是否连接上拉电阻。

配置完成之后

在配置完成之后，FPGA就进入正常工作的模式了。在配置完成之后，普通引脚可以分为以下两种：
工程设计中使用的IO，即在UCF或者XDC中有明确约束的IO。
其余没有使用，也没有约束的IO。（称为Unassigned Pins）

首先，对于第一种情况，由于已经在设计中明确设定了这些引脚的设置，包括方向、电平、驱动能力等等，所以在配置完成之后，这些引脚的状态已经被设置为了预设的状态。