FPGA全局時(shí)鐘和第二全局時(shí)鐘資源的使用方法

目前,大型設(shè)計(jì)一般推薦使用同步時(shí)序電路。同步時(shí)序電路基于時(shí)鐘觸發(fā)沿設(shè)計(jì),對(duì)時(shí)鐘的周期、占空比、延時(shí)和抖動(dòng)提出了更高的要求。為了滿(mǎn)足同步時(shí)序設(shè)計(jì)的要求,一般在FPGA設(shè)計(jì)中采用全局時(shí)鐘資源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的主時(shí)鐘,以達(dá)到最低的時(shí)鐘抖動(dòng)和延遲。 FPGA全局時(shí)鐘資源一般使用全銅層工藝實(shí)現(xiàn),并設(shè)計(jì)了專(zhuān)用時(shí)鐘緩沖與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),從而使全局時(shí)鐘到達(dá)芯片內(nèi)部的所有可配置單元(CLB)、I/O單元(IOB)和選擇性塊RAM(Block Select RAM)的時(shí)延和抖動(dòng)都為最小。為了適應(yīng)復(fù)雜設(shè)計(jì)的需要,Xilinx的FPGA中集成的專(zhuān)用時(shí)鐘資源與數(shù)字延遲鎖相環(huán)(DLL)的數(shù)目不斷增加,最新的Virtex II器件最多可以提供16個(gè)全局時(shí)鐘輸入端口和8個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理模塊(DCM)。

與全局時(shí)鐘資源相關(guān)的原語(yǔ)常用的與全局時(shí)鐘資源相關(guān)的Xilinx器件原語(yǔ)包括：IBUFG、IBUFGDS、BUFG、BUFGP、BUFGCE、BUFGMUX、BUFGDLL和DCM等,如圖1所示。

1. IBUFG即輸入全局緩沖,是與專(zhuān)用全局時(shí)鐘輸入管腳相連接的首級(jí)全局緩沖。所有從全局時(shí)鐘管腳輸入的信號(hào)必須經(jīng)過(guò)IBUF元,否則在布局布線(xiàn)時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)。IBUFG支持AGP、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVTTL、PCI、PCIX和SSTL等多種格式的IO標(biāo)準(zhǔn)。

G 單

2. IBUFGDS是IBUFG的差分形式,當(dāng)信號(hào)從一對(duì)差分全局時(shí)鐘管腳輸入時(shí),必須使用IBUFGDS作為全局時(shí)鐘輸入緩沖。IBUFG支持BLVDS、LDT、LVDSEXT、LVDS、LVPECL和ULVDS等多種格式的IO標(biāo)準(zhǔn)。

3. BUFG是全局緩沖,它的輸入是IBUFG的輸出,BUFG的輸出到達(dá)FPGA內(nèi)部的IOB、CLB、選擇性塊RAM的時(shí)鐘延遲和抖動(dòng)最小。

4. BUFGCE是帶有時(shí)鐘使能端的全局緩沖。它有一個(gè)輸入I、一個(gè)使能端CE和一個(gè)輸出端O。只有當(dāng)BUFGCE的使能端CE有效(高電平)時(shí),BUFGCE才有輸出。

5. BUFGMUX是全局時(shí)鐘選擇緩沖,它有I0和I1兩個(gè)輸入,一個(gè)控制端S,一個(gè)輸出端O。當(dāng)S為低電平時(shí)輸出時(shí)鐘為I0,反之為I1。需要指出的是BUFGMUX的應(yīng)用十分靈活,I0和I1兩個(gè)輸入時(shí)鐘甚至可以為異步關(guān)系。

6. BUFGP相當(dāng)于IBUG加上BUFG。

7. BUFGDLL是全局緩沖延遲鎖相環(huán),相當(dāng)于BUFG與DLL的結(jié)合。BUFGDLL在早期設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用,用以完成全局時(shí)鐘的同步和驅(qū)動(dòng)等功能。隨著數(shù)字時(shí)鐘管理單元(DCM)的日益完善,目前BUFGDLL的應(yīng)用已經(jīng)逐漸被DCM所取代。

8. DCM即數(shù)字時(shí)鐘管理單元,主要完成時(shí)鐘的同步、移相、分頻、倍頻和去抖動(dòng)等。DCM與全局時(shí)鐘有著密不可分的聯(lián)系,為了達(dá)到最小的延遲和抖動(dòng),幾乎所有的DCM應(yīng)用都要使用全局緩沖資源。DCM可以用Xilinx ISE軟件中的Architecture Wizard直接生成。

全局時(shí)鐘資源的使用方法 全局時(shí)鐘資源的使用方法(五種)

1：IBUFG + BUFG的使用方法：

IBUFG后面連接BUFG的方法是最基本的全局時(shí)鐘資源使用方法,由于IBUFG組合BUFG相當(dāng)于BUFGP,所以在這種使用方法也稱(chēng)為BUFGP方法。

2. IBUFGDS + BUFG的使用方法：

當(dāng)輸入時(shí)鐘信號(hào)為差分信號(hào)時(shí),需要使用IBUFGDS代替IBUFG。

3. IBUFG + DCM + BUFG的使用方法：

這種使用方法最靈活,對(duì)全局時(shí)鐘的控制更加有效。通過(guò)DCM模塊不僅僅能對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行同步、移相、分頻和倍頻等變換,而且可以使全局時(shí)鐘的輸出達(dá)到無(wú)抖動(dòng)延遲。

4. Logic ＋ BUFG的使用方法：

BUFG不但可以驅(qū)動(dòng)IBUFG的輸出,還可以驅(qū)動(dòng)其它普通信號(hào)的輸出。當(dāng)某個(gè)信號(hào)(時(shí)鐘、使能、快速路徑)的扇出非常大,并且要求抖動(dòng)延遲最小時(shí),可以使用BUFG驅(qū)動(dòng)該信號(hào),使該信號(hào)利用全局時(shí)鐘資源。但需要注意的是,普通IO的輸入或普通片內(nèi)信號(hào)進(jìn)入全局時(shí)鐘布線(xiàn)層需要一個(gè)固有的延時(shí),一般在10ns左右,即普通IO和普通片內(nèi)信號(hào)從輸入到BUFG輸出有一個(gè)約10ns左右的固有延時(shí),但是BUFG的輸出到片內(nèi)所有單元(IOB、CLB、選擇性塊RAM)的延時(shí)可以忽略不計(jì)為“0”ns。

5． Logic + DCM + BUFG的使用方法：

DCM同樣也可以控制并變換普通時(shí)鐘信號(hào),即DCM的輸入也可以是普通片內(nèi)信號(hào)。使用全局時(shí)鐘資源的注意事項(xiàng)全局時(shí)鐘資源必須滿(mǎn)足的重要原則是：使用IBUFG或IBUFGDS的充分必要條件是信號(hào)從專(zhuān)用全局時(shí)鐘管腳輸入。換言之,當(dāng)某個(gè)信號(hào)從全局時(shí)鐘管腳輸入,不論它是否為時(shí)鐘信號(hào),都必須使用IBUFG或IBUFGDS;如果對(duì)某個(gè)信號(hào)使用了IBUFG或IBUFGDS硬件原語(yǔ),則這個(gè)信號(hào)必定是從全局時(shí)鐘管腳輸入的。如果違反了這條原則,那么在布局布線(xiàn)時(shí)會(huì)報(bào)錯(cuò)。這條規(guī)則的使用是由FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定的：IBUFG和IBUFGDS的輸入端僅僅與芯片的專(zhuān)用全局時(shí)鐘輸入管腳有物理連接,與普通IO和其它內(nèi)部CLB等沒(méi)有物理連接。另外,由于BUFGP相當(dāng)于IBUFG和BUFG的組合,所以BUFGP的使用也必須遵循上述的原則。

全局時(shí)鐘資源的例化方法

全局時(shí)鐘資源的例化方法大致可分為兩種：

一是在程序中直接例化全局時(shí)鐘資源; 二是通過(guò)綜合階段約束或者實(shí)現(xiàn)階段約束實(shí)現(xiàn)對(duì)全局時(shí)鐘資源的使用;

第一種方法比較簡(jiǎn)單,用戶(hù)只需按照前面講述的5種全局時(shí)鐘資源的基本使用方法編寫(xiě)代碼或者繪制原理圖即可。

第二方法是通過(guò)綜合階段約束或?qū)崿F(xiàn)階段的約束完成對(duì)全局時(shí)鐘資源的調(diào)用,這種方法根據(jù)綜合工具和布局布線(xiàn)工具的不同而異。