4. ホット・ソケットおよび パワー・オン・リセット この資料は英語版を翻訳したもので、内容に相違が生じる場合には原文を優先します。こちらの日本語版は参考 用としてご利用ください。設計の際には、最新の英語版で内容をご確認ください。 CII51004-2.0 はじめに Cyclone™ II デバイスは、外部デバイスを使用せずに、ホット・プラグ イン、ホット・インサートまたはホット・スワップとしても知られるホッ ト・ソケット（活線挿抜）およびパワー・シーケンスをサポートします。 ユーザは、システムの動作中にボードや動作中のシステム・バスに影響 を与えることなく、Cyclone II ボードを取り付けたり、取り外すことが できます。 3.3 V、2.5 V、1.8 V、および 1.5 V デバイスが混在して実装されたプリン ト基板（PCB）上で Cyclone II デバイスを使用すると、ホット・ソケッ ト機能によってボード・デザインが簡素化されます。Cyclone II のホッ ト・ソケット機能により、ユーザはボード上の各デバイスのために適切 なパワーアップ・シーケンスを確保する必要がなくなります。 Cyclone II のホット・ソケット機能の特長は、以下のとおりです。 ■ 外部コンポーネントやボードを操作せずに、ボードまたはデバイス の挿抜が可能 ■ パワーアップ・シーケンスのサポート ■ ホット・インサート中のシステム・バスへの影響がない I/O バッファ この章では、Cyclone II デバイスのパワー・オン・リセット（POR）回 路についても説明します。POR 回路は VCC が動作範囲内になるまで、デ バイスをリセット状態に維持します。 Cyclone II の ホット・ ソケット仕様 Cyclone II デバイスは、外部コンポーネントや特別なデザイン要件なしで 上記の 3 つの特長をすべて満たすホット・ソケット機能を提供します。 Cyclone II デバイスのホット・ソケット機能により、以下が実現されます。 ■ デバイスを損傷させることなく、パワーアップ前にドライブ可能。 I/O ピンはパワーアップ時にトライ・ステートを維持。デバイスはパ ワーアップ前またはパワーアップ時にトライブ・アウトしないため、 動作中の他のバスに影響しません。 ■ I/OピンからVCCIOまたはVCCINT電源への内部電流経路はありません。 I/O ピンでドライブ・インされた信号は、VCCIOまたはVCCINT パワー・ バスに給電しません。 ■ Altera Corporation 2005 年 7 月 4–1 Cyclone II のホット・ソケット仕様 デバイスはパワーアップ前にドライブ可能 パワーアップまたはパワーダウン前またはその間に、デバイスに損傷を 与えることなく、Cyclone II デバイスの I/O ピン、専用入力ピン、およ び専用クロック・ピンに信号をドライブできます。Cyclone II デバイス は、任意のパワーアップ・シーケンスまたはパワーダウン・シーケンス （VCCIO および VCCINT）をサポートし、システム・レベルのデザインを簡 素化します。 I/O ピンはパワーアップ時にトライ・ステートを維持 ホット・ソケットをサポートしないデバイスは、パワーアップ前または パワーアップ時にドライブ・アウトすることにより、システム動作を中 断したり衝突を引き起こす可能性があります。ホット・ソケットの状態 では、Cyclone II デバイスの出力バッファは、システムのパワーアップ またはパワーダウン時にオフになります。また、Cyclone II デバイスは、 コンフィギュレーションされて適切な動作条件になるまでドライブ・ア ウトしません。 信号ピンにはVCCIOまたはVCCINT電源への内部電流経路がない ホット・ソケットをサポートしないデバイスでは、デバイスの信号ピン を通じてパワーアップされるときに電源が短絡する可能性があります。 この不適切なパワーアップによって、ドライブするデバイスとドライブ されるデバイスの両方が損傷し、カードのパワーアップが妨害される場 合があります。 Cyclone II デバイスには、パワーアップ前またはパワーアップ時に、I/O ピン、専用入力ピン、または専用クロック・ピンから VCCIO ピンまたは VCCINT ピンへの電流経路はありません。Cyclone II デバイスは、システ ム・ボードの動作を中断または妨害することなく、パワーアップ後のシ ステム・ボードに取り付ける（またはシステム・ボードから取り外す） ことができます。Cyclone II デバイスは、ホット・ソケット時にバック プレーンのシグナル・インテグリティに最小限の影響しか与えません。 VCCIO ピンと VCCINT ピンは、任意のシーケンスでパワーアップまた はパワーダウンできます。電源ランプ・レートの範囲は、100 µs ∼ 100 ms です。両方の VCC 電源は、I/O ピンのドライブ・アウトを 避けるために、互いに 100 ms 以内にパワーダウンする必要があり ます。ホット・ソケット中には、I/O ピンのキャパシタンスは 15 pF 未満、クロック・ピンのキャパシタンスは 20 pF 未満です。Cyclone II デバイスは、次のホット・ソケット仕様に適合します。 4–2 Cyclone II デバイス・ハンドブック Volume 1 Altera Corporation 2005 年 7 月 ホット・ソケットおよびパワー・オン・リセット ホット・ソケット DC 仕様：｜ IIOPIN ｜ < 300 µA ホット・ソケット AC 仕様：｜ IIOPIN ｜ < 8 mA、 10 ns 以下の場合は｜ IIOPIN ｜ > 8 mA IIOPIN は、デバイスの任意のユーザ I/O ピンの電流です。AC 仕様には 2 つの要件があります。パワーアップまたはパワーダウン時のピーク電流 は、8 mA 未満である必要があります。10 ns 以下の場合は、ピーク電流 が 8 mA を超えても構いません。 半導体デバイスのホット・ソケットに関する一般的な問題として、ラッ チ・アップの危険性があります。電気的なサブシステムがアクティブ・ システムにホット・ソケットされると、ラッチ・アップが発生する可能 性があります。ホット・ソケット時に、電源からデバイスの VCC プレー ンとグランド・プレーンに給電される前に、信号ピンがアクティブ・シ ステムによって接続されドライブされることがあります。これにより、 ラッチ・アップが発生し、VCC からデバイス内のグランドへの低インピー ダンス・パスが生じる可能性があります。その結果、デバイスに大きな 電流が流れ、電気的損傷を引き起こす可能性があります。 アルテラは、I/O バッファとホット・ソケット回路のデザインによって、 ホット・ソケット中に Cyclone II デバイスがラッチ・アップを起こさな いようにしています。 Cyclone II デバイスへの ホット・ ソケット機能 の実装 ホット・ソケット機能は、パワーアップ（VCCINT 電源または VCCIO 電源 のいずれか）またはパワーダウン時に出力バッファをオフにします。ホッ ト・ソケット回路は、VCCINT または VCCIO のいずれかがスレッショルド 電圧より低い場合に、内部 HOTSCKT 信号を生成します。デザインでは、 HOTSCKT 信号を他の目的で使用することはできません。HOTSCKT 信号 は、出力バッファをカット・オフし、DC 電流（ウィーク・プルアップ・ リーク電流を除く）がピンを通してリークしないようにします。VCC が ゆっくり上昇する場合、内部 POR 信号（カスタマ・デザインで使用され る FPGA ファブリックでは使用できない）がリリースされてコンフィ ギュレーションが終了した後も、VCC は比較的低いままです。この低い VCC 電圧では、ホット・ソケット回路が I/O ピンをトライ・ステートに 維持するので、出力バッファをドライブ・アウトできず、CONF_DONE ピン、nCEO ピン、および nSTATUS ピンは応答しません。そのため、こ れらのコンフィギュレーション出力ピンまたは双方向ピンがコンフィ ギュレーション中に動作できるように、これらのピンからホット・ソケッ ト回路は除去されています。これらのピンは、パワーアップおよびパワー ダウン・シーケンス中にドライブ・アウトする必要があります。 各 I/O ピンには、図 4-1 に示す回路があります。 Altera Corporation 2005 年 7 月 4–3 Cyclone II デバイス・ハンドブック Volume 1 Cyclone II デバイスへのホット・ソケット機能の実装 図 4-1. Cyclone II デバイスのホット・ソケット回路のブロック図 パワー・オン・ リセット・ モニタ 出力 ウィーク・ プルアップ 抵抗 R 出力イネーブル PAD 電圧トレランス・ コントロール ホット・ソケット 出力 プリ・ドライバ 入力バッファから ロジック・アレイ POR 回路は、VCCINT 電圧レベルをモニタし、デバイスがユーザ・モー ドになるまで I/O ピンをトライ・ステートに維持します。I/O ピンから VCCIO へのウィーク・プルアップ抵抗（R）によって、I/O ピンがフロー ト状態にならないようにしています。電圧トレランス・コントロール回 路によって、VCCIO または VCCINT（あるいはその両方）に給電される前 に、I/O ピンが 3.3 V でドライブされ、デバイスがユーザ・モードでな い場合に I/O ピンのドライブ・アウトを防止します。ホットソケット回 路は、デバイスに給電される前に外部信号によって I/O ピンがドライブ された場合に、I/O ピンから内部で VCCIO と VCCINT に給電されるのを防 止します。 内部ウィーク・プルアップ抵抗値について詳しくは、 「Cyclone II デバイ ス・ハンドブック」の「DC ＆タイミング特性」の章を参照してください。 図 4-2 に、Cyclone II デバイス I/O バッファのトランジスタ・レベルの断 面図を示します。このデザインでは、VCCIO に VCCINT より先に給電された 場合、または I/O パッド電圧が VCCIO より高い場合には、出力バッファは ドライブしません。これはホット・ソケット中の突発的な電圧スパイクの 場合にも当てはまります。ホット・ソケット中には、信号 I/O ピンから VCCINT または VCCIO への電流経路はありません。VPAD リーク電流は、電圧 トレランス・コントロール回路のキャパシタンスを充電します。 4–4 Cyclone II デバイス・ハンドブック Volume 1 Altera Corporation 2005 年 7 月 ホット・ソケットおよびパワー・オン・リセット 図 4-2. FPGA デバイス I/O バッファのトランジスタ・レベル図 VPAD ロジック・ アレイ信号 (1) (2) VCCIO n+ n+ pウェル p+ p+ n+ nウェル p基板 図 4-2 の注： (1) これは、ロジック・アレイ信号、あるいは VCCIO または VPAD のいずれか大き い方の信号です。 (2) これは、VCCIO または VPAD のいずれか大きい方の信号です。 パワー・オン・ リセット回路 Cyclone II デバイスには、パワーアップ中に電源電圧レベルが安定する までデバイス・システム全体をリセット状態に維持する POR 回路があ ります。POR 回路は、VCCINT および VCCIO 電圧レベルをモニタし、VCC が上昇して通常のユーザ・レベルに達するまで、すべてのユーザ I/O ピ ンをトライ・ステートにします。また、POR 回路はコンフィギュレー ションがトリガされる前に、コンフィギュレーション・ピンを含む 2 つ の I/O バンク（EP2C5 と EP2C8 の場合は I/O バンク 1 および 3、EP2C20、 EP2C35、EP2C50、および EP2C70 の場合は I/O バンク 2 および 6）の VCCIO レベルおよびロジック・アレイの VCCINT 電圧が確実に受け入れ可 能なレベルに到達するようにします。POR 回路は、Cyclone II デバイス がユーザ・モードになった後も VCCINT 電圧レベルを継続してモニタする ため、ユーザ・モード中のブラウン・アウト状態を検出できます。ユー ザ・モード中に、VCCINT 電圧がおよそ 600 ∼ 700 mV の POR トリップ・ ポイント以下に低下すると、POR 回路がデバイスをリセットします。 ユーザ・モード中に VCCIO 電圧が低下した場合、POR 回路はデバイスを リセットしません。 Cyclone II デバイスに給電されたとき、VCC が（最大 VCC 立ち上がり時 間として指定された）所定の時間内に推奨動作範囲に達した場合、POR イベントが発生します。Cyclone II デバイスの最大 VCC 立ち上がり時間 は 100 ms、最小 POR 時間は 100 ms です。ただし、ユーザは外部コン ポーネントを使用して nSTATUS ピンをアサートすることによって、初 期化時間を延長できます。 Altera Corporation 2005 年 7 月 4–5 Cyclone II デバイス・ハンドブック Volume 1 まとめ まとめ Cyclone II デバイスはホット・ソケットが可能であり、I/O ピンのドラ イブ・アウトを防止するために VCCIO と VCCINT が互いに 100 ms 以内で パワーアップおよびパワーダウンされるという要件を満たす限り、すべ てのパワーアップ・シーケンスおよびパワーダウン・シーケンスをサポー トします。Cyclone II デバイスは、ホット・ソケットおよびパワー・シー ケンス用の外部デバイスを必要としません。 4–6 Cyclone II デバイス・ハンドブック Volume 1 Altera Corporation 2005 年 7 月