Virtex-5中動態(tài)DCM的設(shè)計(jì)方法

1 DCM的工作原理
在Virtex-5中，DCM進(jìn)行升級組合，形成了CMT(Clock Management Technology，時(shí)鐘管理技術(shù))模塊。CMT模塊提供了非常靈活的、高性能的時(shí)鐘，改善了時(shí)鐘穩(wěn)定性。每一個(gè)CMT模塊包含2個(gè)DCM(Digital ClockManager，數(shù)字時(shí)鐘管理器)和1個(gè)PLL(Phase-LockedLoop，鎖相環(huán))，這里主要討論的是DCM的應(yīng)用。DCM的原型分為DCM＿BASE、DCM＿PS和DCM＿ADV三種，功能依次增強(qiáng)。DCM＿BASE只具有基本的時(shí)鐘矯正、頻率綜合功能；DCM＿PS增加了相位偏移功能；DCM＿ADV又增加了動態(tài)重配置功能。DCM＿ADV的引腳圖如圖1所示。

1．1 時(shí)鐘矯正
DCM包含了一個(gè)時(shí)鐘鎖定環(huán)(DLL)，通過矯正輸入時(shí)鐘和輸出時(shí)鐘的時(shí)間延遲，用來完全去掉時(shí)鐘分布延遲。DLL包含延遲單元和控制邏輯。輸入時(shí)鐘驅(qū)動一串延遲單元，每個(gè)延遲單元的輸出代表輸入時(shí)鐘的不同延遲點(diǎn)。控制邏輯包含了一個(gè)相位檢測器和一個(gè)延遲鏈路選擇器。相位檢測器比較輸入時(shí)鐘(CLKIN)和反饋時(shí)鐘(CLKFB)，并控制延遲鏈路選擇器，從本質(zhì)上增加輸出時(shí)鐘(CLKOUT)的延遲，直到CLKIN和CLKFB完全吻合。
1．2 頻率綜合
DCM提供了2種雙倍頻頻率(即CLK2X和CLK2X180)的獨(dú)立輸出，以及1個(gè)對輸入時(shí)鐘固定分頻比的時(shí)鐘輸出(CLKDV)；另外，還提供了一個(gè)對輸入時(shí)鐘分頻加倍頻的復(fù)合時(shí)鐘輸出。用戶可以定義任意的(固定范圍內(nèi))倍頻比M和分頻比D。如果數(shù)值計(jì)算上存在可能，內(nèi)部的計(jì)算器會自動做出適當(dāng)?shù)倪x擇讓輸出時(shí)鐘邊沿和輸入時(shí)鐘相吻合。比如，若M=9并且D=5，則復(fù)合頻率輸出是輸入時(shí)鐘的1．8倍，并且每5個(gè)輸入周期或者每9個(gè)輸出周期時(shí)間，輸出上升沿與輸入上升沿同步一次。
1．3 相位偏移
DCM有2種相移：一種是固定粗調(diào)相移，另一種是細(xì)調(diào)相移。固定粗調(diào)相移包括90、180、270。相對于CLKO，分別產(chǎn)生了CLK90、CLK180、CLK270時(shí)鐘輸出；相對于CLK2X和CLKFX，則只產(chǎn)生了CLK2X180和CLKFX180時(shí)鐘輸出。細(xì)調(diào)相移又分為4種模式：固定的，正相可變的，中心可變的和直接模式。細(xì)調(diào)相移是在粗調(diào)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在固定模式下，就是要配置一個(gè)固定的相移量，并且相移量要是1／256時(shí)鐘的整數(shù)倍。在正相可變和中心可變的模式下，相位可以動態(tài)重復(fù)地向前或者向后移動，移動步長是時(shí)鐘的1／256。在直接模式下，根據(jù)DCM_TAP的數(shù)值，相位能夠動態(tài)地、相對地向前或者向后移動。
1．4 動態(tài)重配置
通過一組數(shù)據(jù)總線，在不改變其他設(shè)備的情況下，改變DCM的屬性。用于動態(tài)重配置DCM功能的引腳有：輸入引腳DADDR[6：0]，DI[15：0]，DWE，DEN和DCLK；輸出引腳DO[15：0]和DRDY。動態(tài)重配置可以實(shí)現(xiàn)DCM的不同相移，根據(jù)目前的配置設(shè)定，可以改變乘數(shù)(M)和分?jǐn)?shù)(D)。
DCM的動態(tài)重配置功能是通過動態(tài)重配置引腳(Dynamic Reconfiguration Ports，DRP)完成的，不僅可以配置DCM，而且可以配置FPGA的其他邏輯。動態(tài)重配置邏輯塊的重配置流程如圖2所示。

對于Virtex-5的DCM，乘數(shù)(M)和除數(shù)(D)的值是通過DRP往地址50h寫數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。M的值放在16位DRP控制字的高8位，D的值放在低8位。在寫控制字的過程中，DCM必須保持Reset狀態(tài)。地址41h的位3(DI[2])是用來設(shè)置DFS的頻率模式的，0是低頻工作模式，1是高頻工作模式；地址51h的位3和位4(DI[3：2])是用來設(shè)置DFS的頻率模式的，00是低頻模式，11是高頻模式；地址00h用來存儲DCM的默認(rèn)輸出狀態(tài)。

2 動態(tài)DCM的原理和設(shè)計(jì)
動態(tài)DCM是在DCM特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行的應(yīng)用設(shè)計(jì)。大致可以分為2種：一種是在DCM＿BS和DCM＿PS基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，帶有反饋回路的DCM；另一種是在DCM＿ADV基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的，反饋回路和重配置接口相配合的設(shè)計(jì)應(yīng)用。
2．1 反饋回路的設(shè)計(jì)
帶反饋回路的動態(tài)DCM，主要是針對DCM＿BS和DCM＿PS設(shè)計(jì)的。由于這兩種DCM不具有可重配置功能，因此在輸入時(shí)鐘變化范圍超過了最大允許變化范圍時(shí)，必須進(jìn)行手動復(fù)位。如果能夠在重配置功能上引入一個(gè)反饋回路，就可以極大地提高DCM的動態(tài)頻率范圍，并可以實(shí)現(xiàn)DCM的失鎖自啟動。
反饋回路的工作過程是：對DCM的失鎖信號進(jìn)行處理，然后反饋給DCM，讓DCM重新鎖定。失鎖信號的處理過程分兩個(gè)方面同時(shí)進(jìn)行：一方面，采用FPGA的其他穩(wěn)定時(shí)鐘源對失鎖新號采邊沿，然后把邊沿信號整形為復(fù)位信號所要求的脈沖波形，延時(shí)一定的周期后，送到DCM的復(fù)位端，對DCM進(jìn)行復(fù)位。另一方面，對失鎖信號用穩(wěn)定的時(shí)鐘源進(jìn)行計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)超過3 s(可以根據(jù)應(yīng)用修改計(jì)時(shí)時(shí)間)，如果失鎖信號一直有效，就產(chǎn)生一個(gè)脈沖，對DCM進(jìn)行復(fù)位，循環(huán)往復(fù)，直到DCM正常工作。程序流程如圖3所示。

反饋回路的原理分析：當(dāng)DCM輸入頻率變化超出了允許的范圍后，DCM開始失鎖，此時(shí)通過穩(wěn)定的時(shí)鐘源采集DCM的失鎖信號；然后對DCM進(jìn)行復(fù)位，由于DCM中含有時(shí)鐘鎖定環(huán)路(DLL)，DLL會對新的時(shí)鐘產(chǎn)生一串延遲單元，形成延遲鏈路。DLL中的相位檢測器比較輸入時(shí)鐘(CLKIN)和反饋時(shí)鐘(CLKFB)，并控制延遲鏈路選擇器，選擇合適的時(shí)鐘輸出，直到CLKIN與CLKFB完全吻合，完成新一輪的鎖定。如果在時(shí)鐘鎖定的過程中，輸入時(shí)鐘再次發(fā)生變化，將會導(dǎo)致DCM無法鎖定。此時(shí)，啟動第二個(gè)進(jìn)程，對失鎖信號進(jìn)行計(jì)時(shí)，超過額定時(shí)間，就對DCM進(jìn)行復(fù)位，直到DCM正常工作。
由整個(gè)分析過程可以看出，通過增加反饋電路后，DCM可以適應(yīng)不同輸入時(shí)鐘的變化。但是輸人時(shí)鐘并不是無限可變的，DCM有高頻和低頻的區(qū)別，高頻的DCM無法適應(yīng)低頻的輸入頻率，同樣低頻的DCM也無法適應(yīng)高頻的輸入時(shí)鐘。因此，在IP核生成時(shí)，就決定了輸入頻率的變化范圍，這個(gè)范圍可以在IP核生成時(shí)的數(shù)據(jù)手冊中查到。
2．2 反饋回路與重配置接口的配合
就DCM_ADV而言，由于其具有可重配置功能，所以它本身就提供了強(qiáng)大的動態(tài)頻率變化范圍；并且在配置中可以選擇DCM的高頻和低頻屬性，因此它具有更加廣泛的頻率范圍，高、低頻都可以適應(yīng)。不僅如此，可重配置功能還可以動態(tài)地改變DCM的相位偏移和復(fù)合輸出時(shí)鐘的分頻比。但是，重配置功能的使用需要一個(gè)外部控制器對FPGA進(jìn)行配置，硬件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。在不需要控制器的應(yīng)用場合，它的使用受到限制。
對于可重配置功能，在操作時(shí)要注意兩點(diǎn)：一是需要動態(tài)改變的CLKFX的乘數(shù)(M)和除數(shù)(D)的值要先減去1，比如希望分頻比是9／4，就需要載人M／D=8／3。二是在寫入動態(tài)控制字時(shí)，要保持DCM處于復(fù)位狀態(tài)，直到控制字寫完后才釋放復(fù)位狀態(tài)。
重配置功能的寫時(shí)序如圖4所示。其中，DCLK是其他接口信號的驅(qū)動時(shí)鐘，在上升沿同步工作；DEN是其他接口的使能信號；DWE是讀／寫控制信號，如果DWE是FALSE，為讀操作，否則就是寫操作；DADDR是讀／寫地址總線；DI是數(shù)據(jù)輸入總線，只有當(dāng)DEN和DWE同時(shí)有效時(shí)數(shù)據(jù)有效，而且實(shí)際的寫操作是在DRDY返回之前的某個(gè)時(shí)刻發(fā)生的；DO是數(shù)據(jù)輸出總線；DRDY是與DEN對應(yīng)的一個(gè)信號，標(biāo)志著一個(gè)DRP操作周期的完成，DO總線數(shù)據(jù)要在DRDY有效時(shí)間內(nèi)DCLK的上升沿讀取才有效。

如果可重配置功能與反饋回路相互配合，就能實(shí)現(xiàn)功能更加完善、運(yùn)行更加穩(wěn)定的自適應(yīng)DCM。反饋回路主要完成對時(shí)鐘變化的自適應(yīng)；而可重配置功能則主要完成高頻或者低頻DCM的選擇，相位偏移的控制以及復(fù)合頻率(CLKFX)的設(shè)置等。兩者相互配合，既可以降低只用重配置功能造成的復(fù)雜度，提高穩(wěn)定性，又可以彌補(bǔ)反饋回路無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜時(shí)鐘管理功能。功能框圖如圖5所示。

結(jié) 語
自適應(yīng)DCM在FPGA電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，本文實(shí)現(xiàn)了帶反饋回路的多種自適應(yīng)DCM，并討論了在設(shè)計(jì)中遇到的一些關(guān)鍵性問題。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的自適應(yīng)DCM符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，并在工程實(shí)踐中取得了很好的效果。