FPGA DCM時鐘管理單元簡介及原理

DCM概述
DCM內(nèi)部是DLL(Delay Lock Loop(?)結(jié)構(gòu),對時鐘偏移量的調(diào)節(jié)是通過長的延時線形成的。DCM的參數(shù)里有一個PHASESHIFT（相移）,可以從0變到255。所以我們可以假設(shè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)里從clkin到clk_1x之間應(yīng)該有256根延時線（實(shí)際上,由于對不同頻率的時鐘都可以從0變到255,延時線的真正數(shù)目應(yīng)該比這個大得多）。DCM總會把輸入時鐘clkin和反饋時鐘clkfb相比較,如果它們的延時差不等于所設(shè)置的PHASESHIFT,DCM就會改變在clkin和clk_1x之間的延時線數(shù)目,直到相等為止。這個從不等到相等所花的時間,就是輸出時鐘鎖定的時間,相等以后,lock_flag標(biāo)識才會升高。
當(dāng)DCM發(fā)現(xiàn)clkin和clkfb位相差不等于PHASESHIFT的時候,卻去調(diào)節(jié)clk_1x和clkin之間延時,所以如果clk_1x和clkfb不相關(guān)的話,那就永遠(yuǎn)也不能鎖定了。呵呵。

如何使用DCM
DCM一般和BUFG配合使用,要加上BUFG,應(yīng)該是為了增強(qiáng)時鐘的驅(qū)動能力。DCM的一般使用方法是,將其輸出clk_1x接在BUFG的輸入引腳上,BUFG的輸出引腳反饋回來接在DCM的反饋時鐘腳CLKFB上。另外,在FPGA里,只有BUFG的輸出引腳接在時鐘網(wǎng)絡(luò)上,所以一般來說你可以不使用DCM,但你一定會使用BUFG。有些兄弟總喜歡直接將外部輸入的時鐘驅(qū)動內(nèi)部的寄存器,其實(shí)這個時候雖然你沒有明顯地例化BUFG,但工具會自動給你加上的。

使用DCM可以消除時鐘skew
使用DCM可以消除時鐘skew。這個東西一直是我以前所沒有想清楚的,時鐘從DCM輸出開始走線到寄存器,這段skew的時間總是存在的,為什么用DCM就可以消除呢？直到有一天忽然豁然開朗,才明白其原委。對高手來說,也許是極為easy的事情,但也許有些朋友并不一定了解,所以寫出來和大家共享。
為說明方便起見,我們將BUFG的輸出引腳叫做clk_o,從clk_o走全局時鐘布線到寄存器時叫做clk_o_reg,從clk_o走線到DCM的反饋引腳CLKFB上時叫clkfb,如圖所示。實(shí)際上clk_o, clk_o_reg, clkfb全部是用導(dǎo)線連在一起的。所謂時鐘skew,指的就是clk_o到clk_o_reg之間的延時。如果打開FPGA_Editor看底層的結(jié)構(gòu),就可以發(fā)現(xiàn)雖然DCM和BUFG離得很近,但是從clk_o到clkfb卻繞了很長一段才走回來,從而導(dǎo)致從clk_o到clk_o_reg和clkfb的延時大致相等?？傊褪莄lk_o_reg和clkfb的相位應(yīng)該相等。所以當(dāng)DCM調(diào)節(jié)clkin和clkfb的相位相等時,實(shí)際上就調(diào)節(jié)了clkin和clk_o_reg相等。而至于clk_1x和clk_o的相位必然是超前于clkin, clkfb, clk_o_reg的,而clk_1x和clk_o之間的延時就很明顯,就是經(jīng)過那個BUFG的延遲時間。

對時鐘skew的進(jìn)一步討論
最后,說一說時鐘skew的概念。時鐘skew實(shí)際上指的是時鐘驅(qū)動不同的寄存器時,由于寄存器之間可能會隔得比較遠(yuǎn),所以時鐘到達(dá)不同的寄存器的時間可能會不一樣,這個時間差稱為時鐘skew。這種時鐘skew可以通過時鐘樹來解決,也就是使時鐘布線形成一種樹狀結(jié)構(gòu),使得時鐘到每一個寄存器的距離是一樣的。很多FPGA芯片里就布了這樣的時鐘樹結(jié)構(gòu)。也就是說,在這種芯片里,時鐘skew基本上是不存在的。
說到這里,似乎有了一個矛盾,既然時鐘skew的問題用時鐘樹就解決了,那么為什么還需要DCM+BUFG來解決這個問題？另外,既然時鐘skew指的時時鐘驅(qū)動不同寄存器之間的延時,那么上面所說的clk_o到clk_o_reg豈非不能稱為時鐘skew？
先說后一個問題。在一塊FPGA內(nèi)部,時鐘skew問題確實(shí)已經(jīng)被FPGA的時鐘方案樹解決,在這個前提下clk_o到clk_o_reg充其量只能叫做時鐘延時,而不能稱之為時鐘skew?？上У氖荈PGA的設(shè)計(jì)不可能永遠(yuǎn)只在內(nèi)部做事情,它必然和外部交換數(shù)據(jù)。例如從外部傳過來一個32位的數(shù)據(jù)以及隨路時鐘,數(shù)據(jù)和隨路時鐘之間滿足建立保持時間關(guān)系(Setup Hold time),你如何將這32位的數(shù)據(jù)接收進(jìn)來？如果你不使用DCM,直接將clkin接在BUFG的輸入引腳上,那么從你的clk_o_reg就必然和clkin之間有個延時,那么你的clk_o_reg還能保持和進(jìn)來的數(shù)據(jù)之間的建立保持關(guān)系嗎？顯然不能。相反,如果你采用了DCM,接上反饋時鐘,那么clk_o_reg和clkin同相,就可以利用它去鎖存進(jìn)來的數(shù)據(jù)?？梢?DCM+BUFG的方案就是為了解決這個問題。而這個時候clk_o到clk_o_reg的延時,我們可以看到做內(nèi)部寄存器和其他芯片傳過來的數(shù)據(jù)之間的時鐘skew。
由此,我們可以得出一個推論,從晶振出來的時鐘作為FPGA的系統(tǒng)時鐘時,我們可以不經(jīng)過DCM,而直接接到BUFG上就可以,因?yàn)槲覀儾⒉辉谝鈴腸lkin到clk_o_reg的這段延時。