Xilinx DCI技术

DCI技术概述

随着FPGA容量越来越大，系统时钟速度越来越快，PC电路板设计和制造更加困难。随着更快的信号边沿速率，保持信号完整性成为关键问题。PC电路板必须恰当的端接避免反射和振铃。如下图为信号过冲波形。

为了端接PCB走线，附加的电阻需要添加到接收器或者驱动器以匹配走线阻抗。然而随着随着器件I/O数量增加，附加的电阻会增加电路板面积和组件数量，在某些情况下增加电路板尺寸是不可能的。为了解决此问题达到更好的信号完整性，Xilinx开发了数字阻抗控制（DCI，Digitally Controlled Impedance）技术。包括两个功能：

• 控制驱动器的输出阻抗
• 为驱动器或发送器添加一个并行端接，在传输线上得到精确的特征阻抗匹配，以提高信号完整性。

基于I/O标准，DCI可以控制输出驱动阻抗或者添加一个并行端接在驱动器或者接收器，最终的目标都是精确匹配传输线阻抗，保证信号传输完整性。DCI主动调整I/O内部的阻抗，以校准VRN和VRP引脚上的外部精密参考电阻。它可以补偿因逻辑处理、温度和电压变化而引起的I/O阻抗变化。

对于可控阻抗驱动器的I/O标准，DCI控制驱动器阻抗匹配两个参考电阻，或者对于某些标准，匹配一半这些参考电阻的值。

对于使用可控并行端接I/O标准，DCI为驱动器和接收器提供并行端接。这消除了电路板上端接电阻，较小了PCB布线的难度和器件数量，并且改善信号完整性。DCI特性只能在HP bank中应用，HR bank不具有该特性。

HR bank虽然没有DCI功能，但也支持内部的阻抗匹配，也称为IN_TERM。它和DCI差异可以总结为不支持自动校正和补偿，只是固定40欧、50欧和60欧，通过约束方式来调整。当然，这里我们需要选择支持IN_TERM的电气标准。
NET "pad_net_name"IN_TERM=“UNTUNED_SPLIT_50”；

Xilinx DCI技术实际使用

在每个bank中，DCI使用两个多功能参考管脚控制驱动器阻抗或者并行端接值。N参考管脚（VRN）必须通过参考电阻上拉到VCCO，P参考管脚（VRP）必须通过另外一个参考电阻下拉到GND。每个参考电阻的值等于电路板走线特性阻抗或者2倍于特征阻抗值。

在设计中实现DCI：

• 分配DCI I/O标准到HP bank
• 将VRN多功能管脚通过精确电阻上拉到该bank的VCCO电源轨
• 将VRP多功能管脚通过精确电阻下拉到GND

下面的部分内容将讨论如何决定不同I/O标准的VRN和VRP管脚的精确电阻值。同一个bank内的所有DCI标准共享相同的外部精确电阻。如果在相同的I/O bank列中，几个I/O bank使用DCI，并且这几个bank使用相同的VRN/VRP电阻值，则内部VRN/VRP节点可以级联，此时，这同一列中的所有 I/O bank要求的精确电阻只需要一对管脚连接，无需每个I/O bank都要连接精确电阻。这种特性称为DCI级联。该部分也会描述如何判定I/O bank位于相同的I/O bank列中。如果DCI I/O标准在该bank中使用，则该bank可以作为普通I/O使用。

DCI通过选择打开或关闭I/O内部的晶体管调整I/O阻抗，该阻抗匹配外部参考电阻。该调整发生在器件启动时。默认情况下，DONE管脚不会拉高直到第一部分阻抗调整完毕。DCI校准可以通过例化DCIRESET原句实现复位。

DCI配置输出驱动器有以下两种类型：

• 控制阻抗驱动器（源端接）
• 使用半阻抗控制阻抗驱动器（源端接）

对于支持并行端接的I/O标准，DCI产生一个戴维宁等效或者分割阻抗到VCCO/2。

某些Bank特殊DCI要求

如果用户将任何bank14或者15（任何器件）或者bank11，12，17，18，20和21（SSI技术器件）的I/O标准设计为DCI I/O，则DCIRESET原句应该包含在设计中。这种情况下，设计应该产生RST复位脉冲给DCIRESET原句，直到该原句产生LOCKED信号后，才可以将这些管脚作为DCI标准 I/O使用。这是因为这些类型的bank I/O在器件正常初始化时没有进行初始化DCI校准功能。

DCI级联技术

使用DCI I/O标准的7系列FPGA HP I/O Bank可以选择从另一个HP I/O Bank导出DCI阻抗值。如图所示。内部分配的数控总线通过bank控制每个I/O的阻抗。下图为单个bank内的DCI使用。

使用DCI级联，一个I/O bank（主bank）必须将VRN/VRP管脚连接到外部参考电阻。其他和主bank在同一列的I/O bank（Slave banks）可以使用DCI标准，并且阻抗值和主bank阻抗相同。这些从bank无需将VRN/VRP管脚连接外部电阻，级联的DCI阻抗控制来自I/O主bank。下图显示了多个I/O bank实现DCI级联，其中B bank为主bank，A和C为从bank。

使用DCI级联时，推荐遵循以下指导：

• DCI级联只能用于同一列中的HP I/O banks
• DCI级联不能跨过器件边界，特别大容量器件，如Virtex-7器件
• 主、从bank必须具有相同的VCCO和VREF电压
• 同一HP I/O列中的I/O bank，不使用DCI标准的banks不用遵循VCCO和VREF电压
• 所有主、从bank都必须满足DCI I/O bank兼容性规则
• Xilinx推荐未使用的bank应该供电，因为不使用的I/O bank的VCCO不供电会降低这些管脚的ESD管脚保护等级。如果bank未供电，级联的DCI任然可以通过未供电的bank。

DCI端接方式

下图为DDR3 VRP和VRN的连接和阻值

下图为SSTL18_I和SSTL18_II两种电气标准的DCI应用对比

阻抗控制驱动器（源端接）

为了优化高速或者高性能应用信号完整性，驱动器必须有输出阻抗以匹配传输线特征阻抗，否则由于阻抗不连续将会引起信号反射。为了解决此问题，设计者有时需要在高驱动，低阻抗驱动器放置外部串行端接电阻。该电阻的阻值和驱动器输出阻抗之和应该和传输线阻抗相等。

DCI I/O标准支持：LVDCI_15/LVDCI_18/HSLVDCI_15/HSLVDCI_18/HSUL_12_DCI/DIFF_HSUL_12_DCI。

下图举例了控制阻抗驱动器（DCI驱动器）。

半阻抗控制阻抗驱动器（源端接）

该端接方式支持LVDCI_DV2_15和LVDCI_DV2_18电平标准。下图举例了这种端接方式驱动器（半阻抗DCI驱动器），其中R等于2×Z0，Z0为传输线阻抗。

分体式DCI（戴维宁等效端接到VCCO/2）

一些I/O标准（例如，HSTL和SSTL）要求输入端接电阻R上拉到VTT电压，即VCCO/2电压，如下图所示，输入端接到VCCO/2，未使用DCI。

上图为等效的戴维宁并行端接，为了满足图中要求，通常将VRN/VRP管脚连接100Ω精密电阻，支持DCI分立端接的标准如下图所示，所有支持分立端接的DCI I/O标准。

Xilinx 7系列器件分立端接DCI举例如下图所示。输入端接DCI控制，外部VRN/VRP电阻 =2R。

DCI和三态DCI（T_DCI）

I类SSTL和HSTL I/O标准只支持单向信号，它们要么只能作为输入或者只能作为输出，不支持双向。I类SSTL和HSTL I/O只支持输入分立端接DCI。II类SSTL和HSTL（或者SSTLII和HSTLII）支持单向和双向信号，该标准信号支持输入、输出、双向管脚分立端接DCI。使用DCI分离端接（外接电阻VRN/VRP = 2R）如下图所示。

当使用分立端接驱动时，DCI只控制端接阻抗，不控制驱动器。T_DCI只用于双向I/O管脚。对于单向输入管脚可以使用DCI版本标准，对于单向输出管脚non-DCI和DCI版本表均可分配。支持分离端接DCI I/O标准如下图所示，支持分离端接DCI I/O标准。

支持分立T_DCI I/O标准如下图所示。注意：T_DCI标准只能用于双向管脚。

Vivado设置DCI与内部参考电压

DCI与内部参考电压

带有差分输入缓冲区的单端I/O需要一个参考电压Vref，可以使用专用的Vref管脚为每个I/O bank提供参考电压。另外也可以使用INTERNAL_VREF约束来生成内部参考电压，这样PCB上就不需要为Vref提供电源线，也可以释放Vref管脚作为通用I/O使用。每个bank都可以设置一个可选的内部参考电压。

ug471和ug571分别介绍了7系列和UltraScale系列中DCI和INTERNAL_VREF的详细信息。下文介绍在Vivado中设置与之相关的DCI_CASCADE和INTERNAL_VREF属性。

创建DCI_CASCADE约束

DCI_CASCADE约束可以将多个相邻的I/O bank级联在一起，共享DCI参考电压。其中包含DCI参考电压的称作主bank；级联的其它I/O bank称作从bank。每个级联链都必须有一个主bank和至少一个从bank。

在Device Constraints窗口中，选择DCI Cascade：

Unused文件夹中显示了未添加到DCI级联链中的I/O bank，选择需要添加的所有bank，右键->Add DCI Cascade创建级联链，弹出如下窗口：

选择主bank，点击OK则创建好级联链，显示在窗口中：

或者直接将某一bank拖动到另一bank上也可以完成相应操作。设置DCI_CASCADE约束对应的XDC命令如下：

set_property DCI_CASCADE {33} [get_iobanks 34]

get_iobanks选择的为主bank，{}中的是添加到级联链中的从bank，以空白为间隔。上述创建的约束需要点击保存，如果设计已经有了XDC约束文件，约束命令会添加到文件末尾。

创建INTERNAL_VREF约束

使用INTERNAL_VREF约束可以生成FPGA的内部参考电压。这样就不需要在PCB上提供Vref电源线，且可以释放Vref管脚作为通用I/O使用。

在Device Constraints窗口中选择“Internal VREF”，列出了该芯片支持的内部参考电压，NONE文件夹中的I/O bank表示没有设置INTERNAL_VREF约束。

创建INTERNAL_VREF约束，只需要将I/O bank拖到对应参考电压的文件夹中即可；拖到NONE中表示撤销参考电压设置。该设置对应着约束命令，需要保存到XDC约束文件中，示例如下：

set_property INTERNAL_VREF 0.75 [get_iobanks 14]
set_property INTERNAL_VREF 0.675 [get_iobanks 15]

参考：
Vivado使用技巧（12）：设置DCI与内部参考电压
Xilinx 7系列FPGA架构之SelectIO结构（一）