详解FPGA的输入输出处理

来源：FPGA从入门到跑路

1.输入信号

时钟单端

时钟差分

单端信号

差分信号

inputclk,//时钟
inputclk_P,//差分时钟+端
inputclk_N,//差分时钟-端
inputDin_S,//单端信号输入
inputDin_D_P,//差分信号+端
inputDin_D_N,//差分信号-端

2.输出信号

时钟单端

时钟差分

单端信号

差分信号

outputclk_O,//时钟
outputclk_O_P,//差分时钟+端
outputclk_O_N,//差分时钟-端
outputDout_S,//单端信号输入
outputDout_D_P,//差分信号+端
outputDout_D_N//差分信号-端

3.双向信号端口

inout是可以输入也可以输出的引脚，只能由wire型网线驱动。

inoutDataBus,//双向信号

当inout作输入引脚时需要将此引脚置为高阻态z。inout端口的实现是使用三态门。

inout端口的实现

assignDataBus=control?'bz:DataOut;

inout端口DataBus作为输出的时候值为DataOut，作为输入时为高阻态。

4.IO相关原语

输入：

IBUF

输入缓冲器。

单端输入信号的处理举例：

wireDin;
IBUF#(
.IOSTANDARD("DEFAULT")//SpecifytheinputI/Ostandard
)IBUF_Din(
.O(Din),//Bufferoutput
.I(Din_S)//Bufferinput(connectdirectlytotop-levelport)
);

IBUFDS

专用差分输入时钟缓冲器（Dedicated Differential Signaling Input Buffer with Selectable I/O Interface）。将差分时钟转换成单端时钟作为全局时钟，需要添加例化此原语。IBUFDS是一个输入缓冲器，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，另外一个可以认为是从信号。主信号和从信号是同一个逻辑信号，但是相位相反。

IBUFDS

使用方式如下：

IBUFDS#(
.DIFF_TERM("FALSE"),//DifferentialTermination
.IBUF_LOW_PWR("TRUE"),//Lowpower="TRUE",Highestperformance="FALSE"
.IOSTANDARD("DEFAULT")//SpecifytheinputI/Ostandard
)IBUFDS_inst(
.O(O),//Bufferoutput
.I(I),//Diff_pbufferinput(connectdirectlytotop-levelport)
.IB(IB)//Diff_nbufferinput(connectdirectlytotop-levelport)
);

IBUFG

输入全局缓冲，是与专用全局时钟输入管脚相连接的首级全局缓冲。所有从全局时钟管脚输入的信号必须经过IBUF元，否则在布局布线时会报错。 IBUFG支持AGP、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVTTL、PCI、PCIX和 SSTL等多种格式的IO标准。

IBUFGDS

IBUFG的差分形式，当信号从一对差分全局时钟管脚输入时，必须使用IBUFGDS作为全局时钟输入缓冲。IBUFG支持BLVDS、LDT、LVDSEXT、LVDS、LVPECL和ULVDS等多种格式的IO标准。

IDDR2

后面单独介绍。

双向：

IOBUF

IOBUF

IOBUF由一个OBUFT和一个IBUF组成。

OBUFT

OBUFT是三态输出缓冲器，其结构和真值表如下图所示，可以看到，当T为1时，输出是高阻态。当T为0时，输出与输入结果相同。

OBUFT真值表

使用双向信号端口时，使用此原语和使用上面第3部分的三态门效果相同。

assignDataBus=control?'bz:DataOut;

IOBUFIOBUF(
.I(DataIn),
.O(DataOut),
.T(control),
.IO(DataBus)
);

输出：

OBUF

输出缓冲器。使用方式如下：

wireDout;
OBUF#(
.DRIVE(12),//Specifytheoutputdrivestrength
.IOSTANDARD("DEFAULT"),//SpecifytheoutputI/Ostandard
.SLEW("SLOW")//Specifytheoutputslewrate
)OBUF_inst(
.O(Dout_S),//Bufferoutput(connectdirectlytotop-levelport)
.I(Dout)//Bufferinput
);

OBUFDS

差分输出时钟缓冲器（Differential Signaling Output Buffer with Selectable I/O Interface），将单端信号转换成差分信号。OBUFDS是一个输出缓冲器，支持低压差分信号。OBUFDS隔离出了内电路并向芯片上的信号提供驱动电流。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，另外一个可以认为是从信号。主信号和从信号是同一个逻辑信号，但是相位相反。

OBUFDS示意图

使用方式如下：

OBUFDS#(
.IOSTANDARD("DEFAULT"),//SpecifytheoutputI/Ostandard
.SLEW("SLOW")//Specifytheoutputslewrate
)OBUFDS_inst(
.O(O),//Diff_poutput(connectdirectlytotop-levelport)
.OB(OB),//Diff_noutput(connectdirectlytotop-levelport)
.I(I)//Bufferinput
);

IBUFDS、IBUFGDS 和 OBUFDS 真值表

ODDR2

后面单独介绍。

5.举例

单端输入时钟的处理——全局时钟：

wireclk_in;
IBUFG#(
.IOSTANDARD("DEFAULT")
)IBUFG_CLK_S(
.O(clk_in),//Clockbufferoutput
.I(clk)//Clockbufferinput(connectdirectlytotop-levelport)
);

差分输入时钟的处理——全局时钟，以LVDS为例子

wireclk_in_D;
IBUFGDS#(
.DIFF_TERM(“TRUE"),//DifferentialTermination
.IOSTANDARD("LVDS_25")//SpecifiestheI/Ostandardforthisbuffer
)IBUFGDS_inst(
.O(clk_in_D),//Clockbufferoutput
.I(clk_P),//Diff_pclockbufferinput
.IB(clk_N)//Diff_nclockbufferinput
);

差分输入信号的处理 ，以LVDS为例子

wireDin_D;
IBUFDS#(
.DIFF_TERM("TRUE"),//DifferentialTermination
.IOSTANDARD("LVDS_25")//SpecifytheinputI/Ostandard
)IBUFDS_inst(
.O(Din_D),//Bufferoutput
.I(Din_D_P),//Diff_pbufferinput(connectdirectlytotop-levelport)
.IB(Din_D_N)//Diff_nbufferinput(connectdirectlytotop-levelport)
);

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