Xilinx 原语之 IBUFDS 、OBUFDS及IOBUFDS

电路_fpga · 发表于 2025-3-16 20:42:50

本帖最后由电路_fpga 于 2025-3-16 20:42 编辑

在使用FPGA时，往往会用到一些差分信号，比如HDMI接口，LVDS接口的ADC、显示器等等设备。而FPGA内部往往只使用单端信号，因此需要在IO管脚处实现差分和单端的相互转换。xilinx提供了原语实现差分和单端的转换，IBUFDS将FPGA输入的差分信号转换为单端信号，OBUFDS把FPGA内部的单端信号转换为差分信号输出，IOBUFDS可以将双向单端信号转换为双向差分信号。

1、差分转单端（IBUFDS）

IBUFDS是⼀个⽀持低电压差分信号的输⼊缓冲器，图1是IBUFDS的框图。在IBUFDS中，有两个输⼊接⼝，⼀个是差分输⼊的正极端⼝I，另⼀个是差分输⼊的负极端⼝IB，两个端⼝的信号极性必须相反才能正常⼯作，输出端O将输⼊的差分信号转换为单端信号输出。

IBUFDS的真值表如图2所示(直接从UG768中截图)，注意仅当I和IB极性相反的时候才能表示两个信号互为差分对，此时才能正常工作，输出I端口的电平。

IBUFDS的Verilog HDL原语模板如下所示：

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
);

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2、单端转差分（OBUFDS）

IBUFDS用在FPGA的输入管脚，将外部输入的差分信号转为单端信号供内部逻辑使用。OBUFDS用在输出管脚，将内部逻辑的单端信号转换为差分信号输出到FPGA管脚。图3是OBUFDS的框图，I为单端输入信号，O为差分输出正极，OB是差分输出负极。

OBUFDS功能比较简单，对应真值表（可以从UG768手册直接获取）如图4所示。

OBUFDS对应的Verilog HDL原语模板如下所示：

OBUFDS #(
.IOSTANDARD("DEFAULT"),
.SLEW("SLOW")
) OBUFDS_inst (
.O(O),
.OB(OB),
.I(I)
);

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3、双向单端转双向差分（IOBUFDS）

除了上述单向的差分信号外，可以利用三态差分转换器件IOBUFDS实现双向差分转换，对应的框图如图5所示，T是三态的使能信号，低电平有效（图中少画了圈），T为低电平时，I作为FPGA输出的单端信号，IO和IOB作为转换后的差分输出引脚。当T为高电平时，三态门关闭，此时IO作为差分输入的正极，IOB作为差分输入的负极，O作为差分输入转换后的单端输入信号。

对应的真值表如图6所示：

IOBUFDS对应的Verilog HDL原语模板如下所示：

IOBUFDS #(
.DIFF_TERM("FALSE"),
.IBUF_LOW_PWR("TRUE"),
.IOSTANDARD("BLVDS_25"),
.SLEW("SLOW")
) IOBUFDS_inst (
.O(O),
.IO(IO),
.IOB(IOB),
.I(I),
.T(T)
);

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4、仿真

这几个原语功能比较简单，使用一个工程完成三个原语的仿真，设计文件如下所示，外部输入的差分信号ibufds_p和ibufds_n，经过IBUFDS转为单端信号ibufds_o，该信号经过触发器延迟一个时钟得到ibufds_o_r，通过OBUFDS转换为差分信号obufds_p和obufds_n输出。外部输入一个三态控制信号t，用于控制IOBUFDS的三态使能端口，使能有效时，将IBUFDS寄存后的信号ibufds_o_r输出。

module buf_ctrl(
input clk ,//系统时钟信号；
input rst ,//系统复位信号，高电平有效；
input iobufds_t,//iobufds使能控制端；
input ibufds_p ,//ibufds正极输入；
input ibufds_n ,//ibufds负极输入；
output obufds_p ,//obufds正极输出；
output obufds_n ,//obufds负极输出；
inout iobufds_p,//iobufds正极输出；
inout iobufds_n,//iobufds负极输出；
output iobufds_i //将IOBUFDS输入的数据输出，防止倍优化掉；
);
reg ibufds_o_r;
wire ibufds_o ;
//例化IBUFDS原语
IBUFDS #(
.DIFF_TERM ( "FALSE" ),
.IBUF_LOW_PWR ( "TRUE" ),
.IOSTANDARD ( "DEFAULT" )
)
u_IBUFDS (
.O (ibufds_o ),
.I (ibufds_p ),
.IB (ibufds_n )
);
always@(posedge clk)begin
ibufds_o_r <= ibufds_o;
end
//例化OBUFDS原语
OBUFDS #(
.IOSTANDARD ( "DEFAULT" ),
.SLEW ( "SLOW" )
)
u_OBUFDS (
.O (obufds_p ),
.OB (obufds_n ),
.I (ibufds_o_r ) // Buffer input
);
//例化IOBUFDS原语
IOBUFDS #(
.DIFF_TERM ("FALSE" ),// Differential Termination ("TRUE"/"FALSE")
.IBUF_LOW_PWR ("TRUE" ),// Low Power - "TRUE", High Performance = "FALSE"
.IOSTANDARD ("BLVDS_25" ),// Specify the I/O standard
.SLEW ("SLOW" ) // Specify the output slew rate
)
u_IOBUFDS (
.O (iobufds_i ),// Buffer output
.IO (iobufds_p ),// Diff_p inout (connect directly to top-level port)
.IOB (iobufds_n ),// Diff_n inout (connect directly to top-level port)
.I (ibufds_o_r ),// Buffer input
.T (iobufds_t ) // 3-state enable input, high=input, low=output
);
endmodule

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仿真结果如图7所示，图中对IBUFDS的四种输入取值做了仿真，当IBUFDS的输入同时为高电平或者低电平时，IBUFDS转换的输出信号会保持之前的状态不变。在实际情况下应该避免这种情况出现，其余情况IBUFDS与真值表结果一致，不再赘述。

下图主要关注OBUFDS相关信号，如图黄色信号为OBUFDS输入单端数据，而红色信号为OBUFDS输出差分信号，由图可知仿真正确。

IOBUFDS的仿真如图9所示，红色信号为IOBUFDS的三态使能信号，橙色信号是IOBUFDS的单端输出信号，对应真值表中的I，天蓝色信号表示IOBUFDS的双向差分信号，紫色信号是IOBUFDS的单端输入信号，对应真值表中的O。

当使能信号为高电平时，IOBUFDS的三态门关闭，此时两路天蓝色差分信号为输入信号，紫色信号是两路差分输入转换为单端的结果，紫色信号与差分正极的逻辑保持一致，与橙色信号无关，所以正确。

当使能信号为低电平时，IOBUFDS的三态门打开，此时IOBUFDS把橙色单端信号转换为两路天蓝色的差分信号输出，紫色信号此时与橙色信号是一致的，与普通三态门逻辑一致，仿真正确。

5、FPGA如何实现差分输入\输出

通过上文仿真可以知道逻辑实现，但是FPGA是如何实现差分输入和输出的呢？将上述工程分配管脚（差分信号只需要绑定P端引脚即可），然后综合工程，生产比特流文件，最后查看信号在芯片中的走线及布局。

如图10所示，是IBUFDS两个差分输入管脚的布局，Xilinx把两个相邻的管脚作为差分信号的两个管脚，通过两个IOB模块实现IOBUFDS的转换功能。

图11是OBUFDS的实现情况，把两个管脚组合成差分信号，通过OBUFDS位于P脚的IOB之中，也就是单端引脚OBUF的位置，该结构可以作为OBUFDS使用，如图12所示。

IOBUFDS的情况稍微复杂一点，因为是双向信号，所以会同时经过ILOGIC和OLOGIC，并且因为有三态使能信号，所以OLOGIC需要同时使用上下两条路径，如图13所示。

综上，FPGA会将相邻两个管脚配置为差分对，保证两路信号足够近，延时足够小。IBUF和OBUF的位置根据功能不同，可能实现IBUFDS、OBUFDS、IOBUFDS等功能。

电路_fpga · 发表于 2025-3-16 20:43:58

本帖最后由电路_fpga 于 2025-3-17 20:49 编辑

发一个公众号和CSDN的文章

xxppno1 · 发表于 2025-3-16 23:21:19

应该把CSDN搬过来

CrazyBingo · 发表于 2025-3-16 23:22:42

xxppno1 发表于 2025-3-16 23:21
应该把CSDN搬过来

我还准备去CSDN建立专栏呢。。。

CrazyBingo · 发表于 2025-3-16 23:22:55

电路_fpga 发表于 2025-3-16 20:43
发一个公众号和CSDN的文章，需要工程的九二一获取

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