5.1.6 SelectIO模塊

Virtex-6每個I/O片（I/O Tile）包含兩個IOB、兩個ILOGIC、兩個OLOGIC 和兩個IODELAY，如圖5-24 所示。

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圖5-24 I/O 片結(jié)構(gòu)圖

本小節(jié)就以下幾個方面介紹Virtex-6 的SelectIO 資源。

(1) SelectIO 的電氣特性。
(2) SelectIO 的邏輯資源——ILOGIC 資源和OLOGIC 資源。
(3) SelectIO 的高級邏輯資源——ISERDES 資源、OSERDES 資源和Bitslip。

一、 SelectIO IO 的電氣特性

所有的Virtex-6 FPGA 有高性能的可配置SelectIO 驅(qū)動器與接收器，支持非常廣泛的接口標(biāo)準(zhǔn)。強(qiáng)大的功能SelectIO 包括輸出強(qiáng)度和斜率的可編程控制以及使用數(shù)控阻抗（DCI）的片上終端。

IOB 包含輸入、輸出和三態(tài)SelectIO 驅(qū)動器。支持單端I/O 標(biāo)準(zhǔn)（LVCMOS、HSTL、SSTL）和差分I/O 標(biāo)準(zhǔn)（LVDS、HT、LVPECL、BLVDS、差分HSTL 和SSTL）。

注意：差分輸入和VREF 相關(guān)輸入由VCCAUX 供電。

IOB、引腳及內(nèi)部邏輯的連接如圖5-25 所示。

圖5-25 IOB、引腳及內(nèi)部邏輯連接圖

IOB 直接連接ILOGIC/OLOGIC 對，該邏輯對包含輸入和輸出邏輯資源，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和三態(tài)控制。ILOGIC和OLOGIC可分別配置為ISERDES和OSERDES。

Xilinx軟件庫提供了大量與I/O相關(guān)的原語，在例化這些原語時，可以指定I/O標(biāo)準(zhǔn)。與單端I/O相關(guān)的原語包括IBUF（輸入緩沖器）、IBUFG（時鐘輸入緩沖器）、OBUF（輸出緩沖器）、OBUFT（三態(tài)輸出緩沖器）和IOBUF（輸入/輸出緩沖器）。與差分I/O相關(guān)的原語包括IBUFDS（輸入緩沖器）、IBUFGDS（時鐘輸入緩沖器）、OBUFDS（輸出緩沖器）、OBUFTDS（三態(tài)輸出緩沖器）、IOBUFDS（輸入/輸出緩沖器）、IBUFDS_DIFF_OUT（輸入緩沖器）和IOBUFDS_DIFF_OUT（輸入/輸出緩沖器）。

二、 SelectIO的邏輯資源

SelectIO的邏輯資源主要是指ILOGIC和OLOGIC資源，它們完成了FPGA引腳到內(nèi)部邏輯的連接功能，包括組合輸入/輸出、三態(tài)輸出控制、寄存器輸入/輸出、寄存器三態(tài)輸出控制、DDR輸入/輸出、DDR輸出三態(tài)控制、IODELAYE1高分辨率可調(diào)整延遲單元及其控制模塊。

下面簡要介紹ILOGIC和OLOGIC功能。

(1) ILOGIC。

圖5-26 ILOGIC內(nèi)部邏輯

ILOGIC的內(nèi)部邏輯如圖5-26所示，可以實(shí)現(xiàn)的操作包括：異步/組合邏輯、DDR模式（OPPOSITE_EDGE、SAME_EDGE或SAME_EDGE_PIPELINED）、電平敏感型鎖存器和邊沿觸發(fā)D型觸發(fā)器。

異步/組合邏輯。

用來創(chuàng)建輸入驅(qū)動器與FPGA內(nèi)部資源之間的直接連接。當(dāng)輸入數(shù)據(jù)與FPGA內(nèi)部邏輯之間存在直接（非寄存）連接，或者當(dāng)“將I/O寄存器/鎖存器合并到IOB中”的設(shè)置為OFF時，此通路被自動使用。

輸入DDR（IDDR）。

Virtex-6器件的ILOGIC中有專用寄存器來實(shí)現(xiàn)輸入雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）。可以通過例化IDDR的原語來使用此功能。IDDR只有一個時鐘輸入，下降沿數(shù)據(jù)由輸入時鐘的反相版本（在ILOGIC內(nèi)完成反相）進(jìn)行時鐘控制。所有輸入I/O模塊的時鐘均為完全多路復(fù)用，即ILOGIC或OLOGIC模塊之間不共用時鐘。IDDR支持以下三種操作模式：
OPPOSITE_EDGE模式、SAME_EDGE模式和SAME_EDGE_PIPELINED模式。

SAME_EDGE和SAME_EDGE_PIPELINED與Virtex-5一樣。這些模式允許設(shè)計人員在ILOGIC模塊內(nèi)部將下降沿數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到上升沿時鐘域，以節(jié)省CLB和時鐘資源并提高性能。這些模式是用DDR_CLK_EDGE屬性實(shí)現(xiàn)的。

各模式下時序圖請參考圖5-27、圖5-28和圖5-29。

圖5-27 OPPOSITE_EDGE模式下的輸入雙倍數(shù)據(jù)速率

圖5-28 SAME_EDGE模式下的輸入雙倍數(shù)據(jù)速率

圖5-29 SAME_EDGE_PIPELINED模式下的輸入雙倍數(shù)據(jù)速率

可編程絕對延遲單元IODELAYE1。

每個I/O模塊包含一個可編程絕對延遲單元，稱為IODELAYE1。IODELAYE1可以連接到ILOGIC/ISERDES或OLOGIC/OSERDES模塊，也可同時連接到這兩個模塊。

IODELAYE1是具有32個tap的環(huán)繞延遲單元，具有標(biāo)定的tap分辨率。請參考附帶光盤中的《Virtex-6 IO用戶手冊》。IODELAYE1可用于組合輸入通路、寄存輸入通路、組合輸出通路或寄存輸出通路，還可以在內(nèi)部資源中直接使用。IODELAYE1允許各輸入信號有獨(dú)立的延遲。通過在《Virtex-6用戶手冊》中規(guī)定的范圍內(nèi)選擇IDELAYCTRL參考時鐘，可以改變tap延遲分辨率。IODELAYE1資源可用作IDELAY、ODELAY或組合延遲。

.IDELAYE1允許各輸入信號有獨(dú)立的延遲。延遲單元可以被校驗(yàn)到一個絕對延時固定值(TIDELAYRESOLUTION)，這個值不隨工藝，電壓和溫度的變化而改變。

IODELAYE1有四種操作模式：分別是零保持時間延遲模式（IDELAY_TYPE=DEFAULT）、固定延遲模式（IDELAY_TYPE=FIXED）、可變延遲模式（IDELAY_TYPE=VARIABLE）和可裝載的可變延時模式（IDELAY_TYPE=VAR_LOADABLE）。零保持時間延遲模式允許向后兼容，以使用Virtex-5器件中的零保持時間延遲功能的設(shè)計，在這種模式下使用時，不需要例化IDELAYCTRL的原語。在固定延遲模式，延遲值由屬性IDELAY_VALUE確定的tap數(shù)決定，此值配置后不可更改，此模式必須例化IDELAYCTRL的原語。在可變延遲模式，配置后通過控制信號CE和INC來改變延遲值，此模式必須例化IDELAYCTRL的原語。在可裝載的可變延時模式下，IDELAY TAP可以通過FPGA邏輯相連的5位CNTVALUEIN<4:0>裝載。當(dāng)配置為此模式時，也必須例化IDELAYCTRL原語。

IDELAYCTRL延時控制模塊。

當(dāng)IDELAYE1或ISERDES的原語中的IOBDELAY_TYPE屬性設(shè)置為FIXED、VARIABLE或者VAR_LOADABLE時，都必須例化IDELAYCTRL。IDELAYCTRL模塊連續(xù)校驗(yàn)IODELAYE1的延時環(huán)節(jié)，以減少工藝、電壓和溫度的影響。

(2) OLOGIC資源。

OLOGIC由兩個主要模塊組成，分別是輸出數(shù)據(jù)通路和三態(tài)控制通路。這兩個模塊具有共同的時鐘（CLK），但具有不同的使能信號OCE和TCE。

輸出通路和三態(tài)通路可獨(dú)立配置為邊沿觸發(fā)的D型觸發(fā)器、電平敏感鎖存器、異步/組合邏輯或者DDR模式。

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組合數(shù)據(jù)輸出和三態(tài)控制路徑。

組合輸出通路用來實(shí)現(xiàn)從FPGA內(nèi)部邏輯到輸出驅(qū)動器或輸出驅(qū)動器控制端的直接連接。當(dāng)FPGA的內(nèi)部邏輯與輸出數(shù)據(jù)或三態(tài)控制之間存在直接（不寄存）連接，或者當(dāng)“將I/O寄存器/鎖存器合并到IOB中”的設(shè)置為OFF時，此路徑被使用。

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輸出DDR（ODDR）。

Virtex-6器件的OLOGIC中具有專用寄存器，用來實(shí)現(xiàn)DDR功能。要使用此功能，只需要例化ODDR。ODDR只有一個時鐘輸入，下降沿數(shù)據(jù)由輸入時鐘的反相時鐘控制。ODDR支持兩種操作模式：OPPOSITE_EDGE模式和SAME_EDGE模式。SAME_EDGE模式允許在ODDR時鐘的上升沿將兩個數(shù)據(jù)送至ODDR，以節(jié)省CLB和時鐘資源并提高性能。OPPOSITE_EDGE模式使用時鐘的兩個沿以兩倍吞吐量從FPGA內(nèi)部采集數(shù)據(jù)，兩個輸出都送至IOB的數(shù)據(jù)輸入或三態(tài)控制輸入。圖5-30所示為使用OPPPOSITE_EDGE模式時輸出DDR的時序圖。圖5-31所示為使用SAME_EDGE模式時輸出DDR的時序圖。

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圖5-30 OPPPOSITE_EDGE模式時輸出DDR

圖5-31 SAME_EDGE模式時輸出DDR

輸出ODDR可以將時鐘的一個副本傳送到輸出。將ODDR原語的D1固定為High，D2固定為Low，時鐘與數(shù)據(jù)ODDR的時鐘一樣。這個方案可以確保輸出數(shù)據(jù)與輸出時鐘延時的一致性。

三、 SelectIO的高級特性

除了SelectIO的電器特性和專用于收發(fā)SDR或DDR數(shù)據(jù)的寄存器結(jié)構(gòu)之外，Virtex-6還提供了更高級的邏輯特性。其中包含串并轉(zhuǎn)換器ISERDES、并串轉(zhuǎn)換器OSERDES和Bitslip。

(1) ISERDES。

Virtex-6 ISERDES是專用的串并轉(zhuǎn)換器，具有專門實(shí)現(xiàn)高速源同步應(yīng)用的時鐘控制與邏輯功能。圖5-32為ISERDES的結(jié)構(gòu)圖，其中包括串并轉(zhuǎn)換器（ISERDES）、Bitslip子模塊，以及對選通存儲器接口的支持，如網(wǎng)絡(luò)接口、DDR3接口和QDR接口。

圖5-32 ISERDES結(jié)構(gòu)圖

輸入串并轉(zhuǎn)換器。

ISERDES解串器可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，不要求FPGA內(nèi)部資源與輸入數(shù)據(jù)頻率匹配。此轉(zhuǎn)換器支持SDR和DDR。在SDR模式下，串并轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)2、3、4、5、6、7或8bit寬的并行字。在DDR模式下，串并轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)4、6、8或10位寬的并行字。

ISERDES的原語ISERDES1如圖5-33所示。

圖5-33 ISERDES的原語ISERDES1

Bitslip模塊。

Virtex-6器件中的所有ISERDES模塊都包含一個Bitslip子模塊。這個子模塊可在源同步網(wǎng)絡(luò)型應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)字對齊。Bitslip對ISERDES模塊中的并行數(shù)據(jù)重新排序，以便將解串器所接收重復(fù)串行模式的每種組合都送至FPGA內(nèi)部邏輯。這種重復(fù)串行模式通常稱為培訓(xùn)模式（許多網(wǎng)絡(luò)和電信標(biāo)準(zhǔn)都支持培訓(xùn)模式）。

Bitslip操作通過將ISERDES模塊的Bitslip引腳置為有效，可以在并行側(cè)對輸入串行數(shù)據(jù)流重新排序。此操作重復(fù)進(jìn)行，直到找到訓(xùn)練模型。圖5-34 中所示為SDR 和DDR 模式下Bitslip 操作的效果。為了便于說明，采用了八位數(shù)據(jù)寬度。Bitslip 操作與CLKDIV 同步。在SDR 模式下，每次Bitslip 操作使輸出模式左移一位。在DDR 模式下，每次Bitslip
操作使輸出模式在右移一位和左移三位之間交替變化。在此示例中，輸出模式在第八次Bitslip 操作時還原到初始模式。這里假定串行數(shù)據(jù)是八位重復(fù)模式。

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圖5-34 Bitslip 操作

使用Bitslip 子模塊的指導(dǎo)原則如下。

只有在NETWORKING 模式下，Bitslip 才有效。其他模式下，不支持Bitslip。

要啟動Bitslip 操作，BITSLIP 端口置為High 有效的時間必須持續(xù)在一個CLKDIV 周期。在SDR 模式下，Bitslip 的置位時間不能長達(dá)兩個連續(xù)的CLKDIV 周期；在兩次Bitslip有效置位之間，Bitslip 的無效時間至少有一個CLKDIV 周期。在SDR 和DDR 兩種模式下，從ISERDES 采樣到Bitslip 有效的宣稱輸入到“bit-slipped”ISERDES 的輸出Q1-Q6 被
采樣到FPGA 內(nèi)部邏輯，總延遲是兩個CLKDIV 周期。

對選通存儲器接口的支持。

ISERDES 包含專用電路（包括OCLK 輸入引腳），可以完全在ISERDES 模塊內(nèi)部處理選通門到FPGA 跨時鐘域的功能。該功能可以極大方便選通存儲器的支持，如網(wǎng)絡(luò)接口、DDR3 接口和QDR 接口。

(2) 輸出并串轉(zhuǎn)換器（OSERDES）。

Virtex-6 OSERDES 是專用的并串轉(zhuǎn)換器，用來實(shí)現(xiàn)高速源同步接口設(shè)計。每個OSERDES 模塊包括一個數(shù)據(jù)串行器和一個實(shí)現(xiàn)三態(tài)控制的串行器。此轉(zhuǎn)換器支持SDR 和DDR。數(shù)據(jù)串行化可達(dá)6:1（如果使用“OSERDES 寬度擴(kuò)展”可達(dá)10:1）。三態(tài)串行化可達(dá)4:1。OSERDES 的框圖如圖5-35 所示。

數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換器。

一個OSERDES 模塊中的數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換器接收來自內(nèi)部邏輯的二到六位并行數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)串行化，然后通過OQ 輸出將數(shù)據(jù)送至IOB。并行數(shù)據(jù)串行化是按照從數(shù)據(jù)輸入引腳的最低位到最高的順序進(jìn)行的（即D1 輸入引腳上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絆Q 引腳的首位）。

OSERDES 使用CLK 和CLKDIV 兩個時鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)速率轉(zhuǎn)換。CLK 是高速串行時鐘；CLKDIV 是分頻并行時鐘。

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圖5-35 OSERDES的結(jié)構(gòu)框圖

三態(tài)并串轉(zhuǎn)換。

除了數(shù)據(jù)的并串轉(zhuǎn)換，OSERDES模塊還包含一個三態(tài)并串轉(zhuǎn)換器，三態(tài)并串轉(zhuǎn)換器最多只能串行化四位并行三態(tài)信號。三態(tài)轉(zhuǎn)換器不能級聯(lián)。

OSERDES的原語如圖5-36所示。

圖5-36 OSERDES的原語