FPGA全局時鐘和第二全局時鐘資源的使用方法

目前,大型設計一般推薦使用同步時序電路。同步時序電路基于時鐘觸發(fā)沿設計,對時鐘的周期、占空比、延時和抖動提出了更高的要求。為了滿足同步時序設計的要求,一般在FPGA設計中采用全局時鐘資源驅(qū)動設計的主時鐘,以達到最低的時鐘抖動和延遲。 FPGA全局時鐘資源一般使用全銅層工藝實現(xiàn),并設計了專用時鐘緩沖與驅(qū)動結(jié)構(gòu),從而使全局時鐘到達芯片內(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)的時延和抖動都為最小。為了適應復雜設計的需要,Xilinx的FPGA中集成的專用時鐘資源與數(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個全局時鐘輸入端口和8個數(shù)字時鐘管理模塊(DCM)。

與全局時鐘資源相關的原語常用的與全局時鐘資源相關的Xilinx器件原語包括：IBUFG、IBUFGDS、BUFG、BUFGP、BUFGCE、BUFGMUX、BUFGDLL和DCM等,如圖1所示。

1. IBUFG即輸入全局緩沖,是與專用全局時鐘輸入管腳相連接的首級全局緩沖。所有從全局時鐘管腳輸入的信號必須經(jīng)過IBUF元,否則在布局布線時會報錯。IBUFG支持AGP、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVTTL、PCI、PCIX和SSTL等多種格式的IO標準。

G 單

2. IBUFGDS是IBUFG的差分形式,當信號從一對差分全局時鐘管腳輸入時,必須使用IBUFGDS作為全局時鐘輸入緩沖。IBUFG支持BLVDS、LDT、LVDSEXT、LVDS、LVPECL和ULVDS等多種格式的IO標準。

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

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

5. BUFGMUX是全局時鐘選擇緩沖,它有I0和I1兩個輸入,一個控制端S,一個輸出端O。當S為低電平時輸出時鐘為I0,反之為I1。需要指出的是BUFGMUX的應用十分靈活,I0和I1兩個輸入時鐘甚至可以為異步關系。

6. BUFGP相當于IBUG加上BUFG。

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

8. DCM即數(shù)字時鐘管理單元,主要完成時鐘的同步、移相、分頻、倍頻和去抖動等。DCM與全局時鐘有著密不可分的聯(lián)系,為了達到最小的延遲和抖動,幾乎所有的DCM應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。

全局時鐘資源的使用方法 全局時鐘資源的使用方法(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鐘資源使用方法,由于IBUFG組合BUFG相當于BUFGP,所以在這種使用方法也稱為BUFGP方法。

2. IBUFGDS + BUFG的使用方法：

當輸入時鐘信號為差分信號時,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,對全局時鐘的控制更加有效。通過DCM模塊不僅僅能對時鐘進行同步、移相、分頻和倍頻等變換,而且可以使全局時鐘的輸出達到無抖動延遲。

4. Logic ＋ BUFG的使用方法：

BUFG不但可以驅(qū)動IBUFG的輸出,還可以驅(qū)動其它普通信號的輸出。當某個信號(時鐘、使能、快速路徑)的扇出非常大,并且要求抖動延遲最小時,可以使用BUFG驅(qū)動該信號,使該信號利用全局時鐘資源。但需要注意的是,普通IO的輸入或普通片內(nèi)信號進入全局時鐘布線層需要一個固有的延時,一般在10ns左右,即普通IO和普通片內(nèi)信號從輸入到BUFG輸出有一個約10ns左右的固有延時,但是BUFG的輸出到片內(nèi)所有單元(IOB、CLB、選擇性塊RAM)的延時可以忽略不計為“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鐘信號,即DCM的輸入也可以是普通片內(nèi)信號。使用全局時鐘資源的注意事項全局時鐘資源必須滿足的重要原則是：使用IBUFG或IBUFGDS的充分必要條件是信號從專用全局時鐘管腳輸入。換言之,當某個信號從全局時鐘管腳輸入,不論它是否為時鐘信號,都必須使用IBUFG或IBUFGDS;如果對某個信號使用了IBUFG或IBUFGDS硬件原語,則這個信號必定是從全局時鐘管腳輸入的。如果違反了這條原則,那么在布局布線時會報錯。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用全局時鐘輸入管腳有物理連接,與普通IO和其它內(nèi)部CLB等沒有物理連接。另外,由于BUFGP相當于IBUFG和BUFG的組合,所以BUFGP的使用也必須遵循上述的原則。

全局時鐘資源的例化方法

全局時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鐘資源; 二是通過綜合階段約束或者實現(xiàn)階段約束實現(xiàn)對全局時鐘資源的使用;

第一種方法比較簡單,用戶只需按照前面講述的5種全局時鐘資源的基本使用方法編寫代碼或者繪制原理圖即可。

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