Xilinx原语IBUFDS、OBUFDS的使用及仿真

1、介绍
IBUFDS、和OBUFDS都是差分信号缓冲器，用于不同电平接口之间的缓冲和转换。IBUFDS 用于差分输入，OBUFDS用于差分输出。

2、IBUFDS
2.1、理论
IBUFDS是差分输入缓冲器，支持低压差分信号（如LVCMOS、LVDS等）。在IBUFDS中，一个电平接口用两个独特的电平接口（I和IB）表示。一个可以认为是主信号，另一个可以认为是从信号。

IBUFDS原语示意图如下所示：

端口说明如下表：

信号真值表如下：

2.2、仿真
打开VIvado--Tools--Language Templates，搜索“IBUFDS”，可以找到Xilinx提供的模板如下：

IBUFDS #(
.DIFF_TERM("FALSE"), // Differential Termination
.IBUF_LOW_PWR("TRUE"), // Low power="TRUE", Highest
.IOSTANDARD("DEFAULT") // Specify the input I/O standard
) IBUFDS_inst (
.O(O), // Buffer output
.I(I), // Diff_p buffer input (connect directly to top-level port)
.IB(IB) // Diff_n buffer input (connect directly to top-level port)
);

DIFF_TERM、IBUF_LOW_PWR分别指定差分终端和性能模式，IOSTANDARD指定你需要输出的电平标准。

接下来例化一个IBUFDS原语进行测试，Verilog代码如下：

//------------------------------------------------------------------------
//--IBUFDS测试模块
//------------------------------------------------------------------------
//----------------------------------------------------
module IBUFDS_test(
input clk , //时钟，50M
input rst_n , //复位，低电平有效
input data_p , //输入数据，差分+
input data_n , //输入数据，差分-

output out
);
//----------------------------------------------------
IBUFDS #(
.DIFF_TERM ("FALSE") , // Differential Termination
.IBUF_LOW_PWR ("TRUE") , // Low power="TRUE", Highest
.IOSTANDARD ("DEFAULT") // 选择I/O电平标准，这里选择默认
)
IBUFDS_inst (
.O (out) , // 输出
.I (data_p) , // 差分输入+(需要直接连接到顶层端口)
.IB (data_n) // 差分输入-(需要直接连接到顶层端口)
);

endmodule

每隔20ns分别随机生成2个1位2进制数据作为差分输入，观察输出，Testbench如下：

//------------------------------------------------
//--IBUFDS原语仿真
//------------------------------------------------
`timescale 1ns/1ns //时间单位/精度
//----------------------------------------------------
module tb_IBUFDS_test();

reg clk ;
reg rst_n ;
reg data_p ;
reg data_n ;

wire out ;
//----------------------------------------------------
IBUFDS_test IBUFDS_test_inst(
.clk (clk) ,
.rst_n (rst_n) ,
.data_p (data_p) ,
.data_n (data_n) ,

.out (out)
);
//----------------------------------------------------
initial begin
clk = 1'b1; //初始时钟为1
rst_n data_p data_n #60 //60个时钟周期后
rst_n end
//----------------------------------------------------------
always #10 clk = ~clk; //系统时钟周期20ns

always #20 data_p always #20 data_n

endmodule

仿真结果如下：

每隔20ns，2个差分输入端口分别随机生成2个1位2进制数据；输出输入符合上述的真值表。

3、OBUFDS
3.1、理论
OBUFDS 是一个差分输出缓冲器，用于将来自 FPGA 内部逻辑的信号转换成差分信号输出，支持 TMDS、LVDS等电平标准。它的输出用O和OB两个独立接口表示。一个可以认为是主信号，另一个可以认为是从信号。

OBUFDS原语示意图如下所示：

端口说明如下表：

信号真值表如下：

可以看出，输出+端与输入一致，输出-端与输入相反。

3.2、仿真
打开VIvado--Tools--Language Templates，搜索“OBUFDS”，可以找到Xilinx提供的模板如下：

OBUFDS #(
.IOSTANDARD("DEFAULT"), // Specify the output I/O standard
.SLEW("SLOW") // Specify the output slew rate
) OBUFDS_inst (
.O(O), // Diff_p output (connect directly to top-level port)
.OB(OB), // Diff_n output (connect directly to top-level port)
.I(I) // Buffer input
);

其中IOSTANDARD指定你需要输出的差分电平标准，SLEW根据你的要求输出FAST或者SLOW。

接下来例化一个OBUFDS原语进行测试，Verilog代码如下：

//------------------------------------------------------------------------
//--OBUFDS测试模块
//------------------------------------------------------------------------
//----------------------------------------------------
module OBUFDS_test(
input clk , //时钟，50M
input rst_n , //复位，低电平有效
input data , //输入数据

output out_p , //输出数据，差分+
output out_n //输出数据，差分-
);
//----------------------------------------------------
OBUFDS #(
.IOSTANDARD ("DEFAULT") , // 选择I/O电平标准，这里选择默认
.SLEW ("SLOW") // 选择输出速率，这里选择SLOW
)
OBUFDS_inst (
.O (out_p) , // 差分输出+(需要直接连接到顶层端口)
.OB (out_n) , // 差分输出-(需要直接连接到顶层端口)
.I (data) // 输入
);

endmodule

每隔20ns随机生成一个1位2进制数据，观察差分输出，Testbench如下：

//------------------------------------------------
//--OBUFDS原语仿真
//------------------------------------------------
`timescale 1ns/1ns //时间单位/精度
//----------------------------------------------------
module tb_OBUFDS_test();
reg clk ;
reg rst_n ;
reg data ;

wire out_p ;
wire out_n ;
//----------------------------------------------------
OBUFDS_test OBUFDS_test_inst(
.clk (clk),
.rst_n (rst_n),
.data (data),

.out_p (out_p),
.out_n (out_n)
);
//----------------------------------------------------
initial begin
clk = 1'b1; //初始时钟为1
rst_n data #60 //60个时钟周期后
rst_n end
//----------------------------------------------------------
always #10 clk = ~clk; //系统时钟周期20ns
always #20 data

endmodule

仿真结果如下：

每隔20ns，data随机生成0或者1，out_p与输入一致，out_n与输入相反；差分输出信号符合上述的真值表。

审核编辑：符乾江