ISE管脚约束设置参数详解

ISE管脚约束设置参数详解（原创）

ISE管脚约束设置参数详解

在ISE中，打开User Constraints中的Assign Package Pins就可以对设定的管脚进行约束。

打开了Xilinx PACK-[Design Object List-I/O Pin]

其中参数设置如下

I/O Name——IO管脚名称，对应于module里输入输出管脚。

I/O Direction——设定输入(Input)还是输出（Output）管脚。Loc——位于芯片的位置。

Bank——管脚位于的Bank块，当指定了Loc后，bank也就确定了。

FROM:Spartan-3E FPGA 系列数据手册P19

I/O Std.——I/O管脚的电平标准。

每个bank都可以随意设置为该器件支持的电平标准，不同的电平标准在一个bank中要注意它们的电平要一致，比如都为3.3v，电平可以为LVTTL、LV COMS33。

From:Spartan-3E FPGA 系列数据手册P16~17

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// 下面介绍一下常见逻辑电平标准

现在常用的电平标准有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVPECL、RS232、RS485等，还有一些速度比较高的LVDS、GTL、PGTL、CML、HSTL、SSTL等。下面简单介绍一下各自的供电电源、电平标准以及使用注意事项。

TTL：Transistor-Transistor Logic 三极管结构。

Vcc：5V；VOH>=2.4V；VOL<=0.5V；VIH>=2V；VIL<=0.8V。

因为2.4V与5V之间还有很大空闲，对改善噪声容限并没什么好处，又会白白

增大系统功耗，还会影响速度。所以后来就把一部分“砍”掉了。也就是后面的L VTTL。

LVTTL又分3.3V、2.5V以及更低电压的LVTTL(Low Voltage TTL)。

3.3V LVTTL：

Vcc：3.3V；VOH>=2.4V；VOL<=0.4V；VIH>=2V；VIL<=0.8V。

2.5V LVTTL：

Vcc：2.5V；VOH>=2.0V；VOL<=0.2V；VIH>=1.7V；VIL<=0.7V。

更低的LVTTL不常用就先不讲了。多用在处理器等高速芯片，使用时查看芯片手册就OK了。

TTL使用注意：

TTL电平一般过冲都会比较严重，可能在始端串22欧或33欧电阻；TT L电平输入脚悬空时是内部认为是高电平。要下拉的话应用1k以下电阻下拉。T TL输出不能驱动CMOS输入。

CMOS：Complementary Metal Oxide Semiconductor??PMOS+NMOS。Vcc：5V；VOH>=4.45V；VOL<=0.5V；VIH>=3.5V；VIL<=1.5V。

相对TTL有了更大的噪声容限，输入阻抗远大于TTL输入阻抗。对应3.3V LV TTL，出现了LVCMOS，可以与3.3V的LVTTL直接相互驱动。

3.3V LVCMOS：

Vcc：3.3V；VOH>=3.2V；VOL<=0.1V；VIH>=2.0V；VIL<=0.7V。

2.5V LVCMOS：

Vcc：2.5V；VOH>=2V；VOL<=0.1V；VIH>=1.7V；VIL<=0.7V。

CMOS使用注意：

CMOS结构内部寄生有可控硅结构，当输入或输入管脚高于VCC一定值(比如一些芯片是0.7V)时，电流足够大的话，可能引起闩锁效应，导致芯片的烧毁。

ECL：Emitter Coupled Logic 发射极耦合逻辑电路(差分结构)

Vcc=0V；Vee：-5.2V；VOH=-0.88V；VOL=-1.72V；VIH=-1.24V；VIL=-1.36 V。

速度快，驱动能力强，噪声小，很容易达到几百M的应用。但是功耗大，需要负电源。为简化电源，出现了PECL(ECL结构，改用正电压供电)和LVPECL。PECL：Pseudo/Positive ECL

Vcc=5V；VOH=4.12V；VOL=3.28V；VIH=3.78V；VIL=3.64V

LVPELC：Low Voltage PEC L

Vcc=3.3V；VOH=2.42V；VOL=1.58V；VIH=2.06V；VIL=1.94V

ECL、PECL、LVPECL使用注意：

不同电平不能直接驱动。中间可用交流耦合、电阻网络或专用芯片进行转换。以上三种均为射随输出结构，必须有电阻拉到一个直流偏置电压。(如多用于时钟的LVPECL：直流匹配时用130欧上拉，同时用82欧下拉；交流匹配时用8 2欧上拉，同时用130欧下拉。但两种方式工作后直流电平都在1.95V左右。)

前面的电平标准摆幅都比较大，为降低电磁辐射，同时提高开关速度又推出LV DS电平标准。

LVDS：Low Voltage Differential Signaling

差分对输入输出，内部有一个恒流源3.5-4mA，在差分线上改变方向来表示0

和1。通过外部的100欧匹配电阻(并在差分线上靠近接收端)转换为±350mV的差分电平。

LVDS使用注意：

可以达到600M以上，PCB要求较高，差分线要求严格等长，差最好不超过10mil(0.25mm)。100欧电阻离接收端距离不能超过500mil，最好控制在30 0mil以内。

下面的电平用的可能不是很多，篇幅关系，只简单做一下介绍。如果感兴趣的话可以联系我。

CML：是内部做好匹配的一种电路，不需再进行匹配。三极管结构，也是差分线，速度能达到3G以上。只能点对点传输。

GTL：类似CMOS的一种结构，输入为比较器结构，比较器一端接参考电平，另一端接输入信号。1.2V电源供电。

Vcc=1.2V；VOH>=1.1V；VOL<=0.4V；VIH>=0.85V；VIL<=0.75V

PGTL/GTL+：

Vcc=1.5V；VOH>=1.4V；VOL<=0.46V；VIH>=1.2V；VIL<=0.8V

HSTL是主要用于QDR存储器的一种电平标准：一般有V¬CCIO=1.8V和V ¬¬CCIO= 1.5V。和上面的GTL相似，输入为输入为比较器结构，比较器一端接参考电平(VCCIO/2)，另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度)。

SSTL主要用于DDR存储器。和HSTL基本相同。V¬¬CCIO=2.5V，输入为输入为比较器结构，比较器一端接参考电平1.25V，另一端接输入信号。对参考电平要求比较高(1%精度)。

HSTL和SSTL大多用在300M以下。

RS232和RS485基本和大家比较熟了，只简单提一下：

RS232采用±12-15V供电，我们电脑后面的串口即为RS232标准。+12V表示0，-12V表示1。可以用MAX3232等专用芯片转换，也可以用两个三极管加一些外围电路进行反相和电压匹配。

RS485是一种差分结构，相对RS232有更高的抗干扰能力。传输距离可以达到上千米

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Drive Str.——I/O管脚的驱动电流。

逻辑电平大小与输出电流强度大小的关系：

From:Spartan-3E FPGA 系列数据手册P19 Termination——终端结构（电阻上拉/电阻下拉/悬空）。

PULLDOWN和PULLUP原语

数字电路有三种状态：高电平、低电平、和高阻状态。有些应用场合不希望出现高阻状态，可以通过上拉电阻或下拉电阻的方式使其处于稳定状态，如图所示。FPGA的I/O端口，可以通过外接电阻上下拉，也可以在芯片内部，通过配置完成上下拉。

上拉电阻是用来解决总线驱动能力不足时提供电流的；

而下拉电阻是用来吸收电流；

通过FPGA内部配置完成上下拉，能有效节约电路板面积，是设计的首选方案。

上、下拉电路示意图

上、下拉的原语分别为PULLUP和PULLDOWN。

1）PULLUP原语的例化代码

// PULLUP: 上拉原语（I/O Buffer Weak Pull-up）

// 适用芯片：所有芯片

// Xilinx HDL库向导版本，ISE 9.1

PULLUP PULLUP_inst (

.O(O),

//上拉输出，需要直接连接到设计的顶层模块端口上);

// 结束PULLUP模块的例化过程

2）PULLDOWN原语的例化代码

// PULLDOWN:下拉原语（I/O Buffer Weak Pull-down）

// 适用芯片：所有芯片

// Xilinx HDL库向导版本，ISE 9.1

PULLDOWN PULLDOWN_inst (

.O(O),

// 下拉输出，需要直接连接到设计的顶层模块端口上

);

// 结束PULLDOWN模块的例化过程

（FROM:FPGA开发实用教程第4节Xilinx公司原语的使用方法

https://www.360docs.net/doc/0715965536.html,/article/08-03/37457s.html）

From:Spartan-3E FPGA 系列数据手册P18

当选择Keeper（悬空）的选项时，使总线悬浮而没有驱动电流，所有驱动翻转后保持上一个逻辑电平。

Slew——Slew Rate。信号的转换速率，可以理解为信号在某一点的斜率。

它不是只针对时钟信号说的；诸如放大器的slew rate就是一个很重要的参数；而在数字电路里，它可能更常用于描述芯片输入信号的变化率。

在Xilinx的设计环境中，可以将输出信号的Slew rate设置成FAST或SLO W。当设置成FAST时，提高了信号变化的斜率，从而提高了信号的转换速率，但同时使脉冲信号的振铃增大。因此，除非万不得已，不要将输出信号的Slew rate设成FAST。

skew选fast，IO转化时快，但电流大，功耗大。

skew选slow，IO转化慢，但功耗小。^: Y! P: v/ W* ~" o$ h

查看器件的DC AC Switching特性手册有详细说明。

默认设置

IOSTANDARD=LVCMOS25

SLEW=SLOW

DRIVE=12

Delay——输入延时。加入延时可以减缓上升速度。BOTH 、IBUF 、IFD 、NONE这四个备选项

IFD——Registered inputs

可编程的混合输入延迟单元：

From:Spartan-3E FPGA 系列数据手册P12

Diff. Type

参考资料：

1）LVTTL与LVCMOS区别

https://www.360docs.net/doc/0715965536.html,/blog/static/14303922007324104723589 2）FPGA开发实用教程第4节Xilinx公司原语的使用方法

https://www.360docs.net/doc/0715965536.html,/article/08-03/37457s.html

3）r ip l e's B lo g：S t a y h u n g r y.S t a y f o o li sh.

FPGA时序问题一例——电磁干扰和引脚驱动电流约束

这篇文章介绍了slew rate的选择与EMI的关系

4）几种接口的标准电平定义

https://www.360docs.net/doc/0715965536.html,/bbsdetail-32425-8.html

5）电子工程专辑网站论坛PCB设计技术问答精粹(2)-EMI/EMC设计https://www.360docs.net/doc/0715965536.html,/article/3d/5390$2.html

6）Xilinx FPGA如何使用LVDS

https://www.360docs.net/doc/0715965536.html,/Services/help/Xilinx/200803/1225.html