Xilinx IOBUF 的用法

Xilinx IOBUF 的用法

一、概念

1. 基本概念

应用场景： 在vivado中，连接的管脚的信号一般都会自动添加OBUF或IBUF。但是对于inout类型的接口，不会主动添加IOBUF，因为in/out切换需要控制信号，需要用户自己分配好。

Xilinx官网原文： The IOBUF primitive is needed when bidirectional signals require both an input buffer and a 3-state output buffer with an active-High 3-state T pin. The IOBUF is a generic IOBUF. A logic-High on the T pin disables the output buffer. When the output buffer is 3-stated (T = High), the input buffer and any on-die receiver termination (uncalibrated or DCI) are ON. When the output buffer is not 3-stated (T = Low), any on-die receiver termination (uncalibrated or DCI) is disabled.

I/O attributes that do not impact the logic function of the component such as IOSTANDARD, DRIVE and SLEW should be supplied to the top-level port via an appropriate property. For details on applying such properties to the associated port, see the Vivado Design Suite Properties Reference Guide (UG912).

个人翻译： 当双向信号需要输入缓冲区和带active-High 3态T引脚的3态输出缓冲区时，需要IOBUF原语。IOBUF是一个通用的IOBUF。T为高电平时关闭output buffer（I端口）。当output buffer为3-state (T = High)时，input buffer和任何固定接收器终端(未校准或DCI)均为有效。当输出缓冲区不是3-state (T = Low)时，任何固定接收器终端(未校准或DCI)都是禁用的。

不影响组件逻辑功能的I/O属性(如IOSTANDARD、DRIVE和kill)应该通过适当的属性提供给顶级端口。有关将这些属性应用到相关端口的详细信息，请参见Vivado设计套件属性参考指南(UG912)。

Vivado原语：

// IOBUF: Single-ended Bi-directional Buffer
//        All devices
// Xilinx HDL Language Template, version 2017.2
    
IOBUF #(
      .DRIVE(12), // Specify the output drive strength
      .IBUF_LOW_PWR("TRUE"),  // Low Power - "TRUE", High Performance = "FALSE"
      .IOSTANDARD("DEFAULT"), // Specify the I/O standard
      .SLEW("SLOW") // Specify the output slew rate
   ) IOBUF_inst (
      .O(O),   // 1-bit output: Buffer output
      .I(I),   // 1-bit input: Buffer input
      .IO(IO), // 1-bit inout: Buffer inout (connect directly to top-level port)
      .T(T)    // 1-bit input: 3-state enable input
   );
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个人理解： 这玩意儿的解释有点绕，我们结合结构图、原文、原语来总结一下，大致是这么个意思：

首先，我为什么说它绕，因为IOBUF的O指的是IO_pin >> FPGA，也就是说这里的Output输出的主语是IO_pin，而不是FPGA；这里的 I 指的是IO_Pin << FPGA，同样主语是IO_pin，这里指的是输入到IO_pin。所以第一次使用的时候容易弄混。

再与结构图结合就很容易理解了，三态门T控制的是I端口能否有效输入：

• T拉高时，I端口停止工作，O端口向FPGA内部输出信号；
• T拉低时，I端口向IO_pin输入来自FPGA内部的信号，此时 O = I（因为O端口从这个方向上来说也是 I 的分支）；

2. 硬件结构

2.1 IOBUF

官网原图：

Vivado综合后的RTL视图：

真值表：

接口描述：

2.2 OBUFT

真值表：

接口描述：

二、实例

首先我们想象这样一个应用场景：

因为某些原因，ARM不能直接连接到PHY芯片上，所以需要通过FPGA间接与PHY芯片相连接，这个时候我们就有以下引脚：

input  i_arm_mdc,
inout  io_arm_mdio,
output o_phy_mdc,
inout  io_phy_mdio
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而根据MDIO协议：

IO端口切换输入输出模式的根据是OP位，所以我们可以先设置一系列寄存器来存储io_arm_mdio的input内容，以及读写变化使能。

reg      	        s_mdio_rd_en;
reg      [35:00]    s_mdio_word ;
reg      [01:00]    s_mdio_op   ;	
reg      [05:00]    s_cnt_mdio  ;
reg                 s_add_mdio  ;
wire				s_arm_out	;
wire                s_phy_out	;

assign o_phy_mdc = i_arm_mdc	;

always @(posedge i_arm_mdc or negedge i_rst_n)begin   
    if(!i_rst_n) begin
	    s_mdio_word <= 36'b0;
	end
	else begin
		s_mdio_word <= {s_mdio_word[34:00],s_arm_out};
	end
end

/* ---- mdio contrl ---- */
always @(posedge i_arm_mdc or negedge i_rst_n) begin
    if (!i_rst_n) begin
        s_add_mdio <= 1'b0;
        s_mdio_op  <= 1'b0;
    end 
    else begin
		if((s_mdio_word==36'hffffffff6||s_mdio_word==36'hffffffff5) && s_mdio_trans_cnt == 8'd35)
            s_add_mdio <= 1'b1;
		else if(s_cnt_mdio >= 16'd27)
            s_add_mdio <= 1'b0;
        else 
            s_add_mdio <= s_add_mdio;
        if (s_add_mdio) 
            s_cnt_mdio <= s_cnt_mdio + 1'b1;
        else
            s_cnt_mdio <= 1'b0;
		if(s_mdio_word==36'hffffffff6 && s_mdio_trans_cnt == 8'd35)
            s_mdio_op <= Read_bits;
        else if (s_mdio_word==36'hffffffff5 && s_mdio_trans_cnt == 8'd35)
            s_mdio_op <= Write_bits;
		else
			s_mdio_op <= s_mdio_op;
	end
end

always @(posedge i_arm_mdc or negedge i_rst_n)begin   
    if(!i_rst_n)begin
		s_mdio_rd_en <= 1'b0;
	end
	else begin
		if(s_cnt_mdio>=6'd9 && s_mdio_op == Read_bits)/* 5-bit PHY_ADDR + 5-bit Reg_ADDR = 10-bit */
			s_mdio_rd_en <= 1'b1;
		else
			s_mdio_rd_en <= 1'b0;
	end
end
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在需要的参数都准备好后，就可以开始使用原语了：

IOBUF #(
            .DRIVE(12),              // Specify the output drive strength
            .IBUF_LOW_PWR("TRUE"),   // Low Power - "TRUE", High Performance = "FALSE"
            .IOSTANDARD("DEFAULT"),  // Specify the I/O standard
            .SLEW("SLOW")            // Specify the output slew rate
    ) IOBUF_inst_arm (
            .O (s_arm_out      ),    // 
            .IO(io_arm_mdio    ),    // 
            .I (s_phy_out     ),    // 
            .T (!s_mdio_rd_en )     // 3-state enable input, high=input, low=output
    );
IOBUF #(
            .DRIVE(12),              // Specify the output drive strength
            .IBUF_LOW_PWR("TRUE"),   // Low Power - "TRUE", High Performance = "FALSE"
            .IOSTANDARD("DEFAULT"),  // Specify the I/O standard
            .SLEW("SLOW")            // Specify the output slew rate
    ) IOBUF_inst_phy (
            .O (s_phy_out      ),    // 
            .IO(io_phy_mdio    ),    // 
            .I (s_arm_out      ),    // 
            .T (s_mdio_rd_en  )     // 3-state enable input, high=input, low=output
    );
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最后综合出来的结果就是这个样子：

三、参考文献

Xilinx: IOBUF English

Xilinx: OBUFT English

KevinChase:【FPGA】xilinx IOBUF的用法