FPGA 组成原理：IO 资源架构与实现细节

在 FPGA 的六大核心资源中，IO 资源往往容易被初学者低估。很多人认为它仅仅是引脚位置的分配、驱动电流或上下拉电阻的设置，但实际并非如此。作为连接外部世界与内部逻辑的桥梁，IO 资源涵盖了从电气特性处理到高速信号逻辑转换的完整链路。

当我们深入探讨时，会发现经验丰富的开发者常接触到的 IBUFDS、OBUFDS、IDDR、ODDR 等原语，本质上都是 IO 资源的一部分。那么，信号从物理管脚进入 FPGA 内部逻辑电路究竟经历了哪些处理？本文将结合主流厂商的架构，解析 IO 资源的构成与工作原理。

当前主流 FPGA 厂商（如 Xilinx 的 SelectIO）的 IO 结构通常由两大部分组成：IO BUFFER（简称 IOB）和 IO LOGIC（简称 IOL）。虽然各厂商的具体命名略有差异，但基本架构高度一致。

Xilinx IO 结构

紫光 IO 结构

高云 IO 结构

组件	Xilinx	紫光	安路	高云
IOB	IOB	IO BUFFER	IOB	输入输出缓存
IOL	SelectIO Logic Resources	IO LOGIC	IOL	输入输出逻辑

值得注意的是，Xilinx 将 ISERDES 和 OSERDES 视为'高级 SelectIO 逻辑资源'，而其他厂商普遍将其归入 IOL 范畴。个人更倾向于后者的划分方式，这样逻辑层次更清晰。

IOB 主要负责处理底层电气特性，不同厂商的配置存在较大差异。其核心功能包括：

信号类型转换：FPGA 内部多为单端信号互联，IOB 需负责将差分输入转为单端，或将内部单端信号转为差分输出。
电平标准转换：外部接口可能采用 LVCMOS、LVTTL、SSTL 或 LVDS 等标准，而 FPGA 内部 CLB 通常使用 VCCINT 供电，IOB 需完成电平适配。
其他配置：如压摆率设置、上下拉电阻使能等。

以安路 DR1 系列为例，其 IOB 结构直观展示了可编程上下拉、三态控制、LVDS 支持及片内终端电阻配置等功能。相比之下，Xilinx 的 HR Bank IOB 原理图则更为抽象，涉及更多底层电路细节。

IOL 主要处理数字逻辑功能，相比 IOB 更容易理解。它实现了特定的信号处理逻辑，例如：

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