FPGA管腳分配時需注意的一些事項

平臺：XC4VSX55 ISE10.1

設計過FPGA的原理圖，看FPGA的手冊，說管腳的分配問題，如時鐘管腳要用GC類管腳，而且單端時鐘輸入時要用P類型的管腳，不能用N類型管腳等等。

一直以來都沒有試驗過，今天試驗一把，以求各種驗證。

1）GC類全局時鐘管腳是否可用作普通IO使用？

所謂GC類管腳，就是在管腳的稱是諸如IO_L1P_GC_LC等帶有GC的管腳。其實手冊中說的是GC類管腳可以用作IO的，但在《Xilinx FPGA開發(fā)實用教程》（清華出版社）574頁倒數(shù)第八行提到：“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”，于是今天我試了一下，將某一GC類管腳分配給一個普通的輸入口（也試驗了分配給一個普通的輸出口），經(jīng)布局布線后，未出錯。

因此得出結(jié)論：GC類全局時鐘管腳可以作為普通IO使用。（不知道是不是我對書中提到的全局時鐘管腳理解有誤，如果是，請網(wǎng)友別拍我，敬請留言指正）

2）非GC類全局時鐘管腳是否可以作時鐘使用？

其實至于說能否作為時鐘使用，這里有另一層函義。當然，如果你把一個普通IO口配置成輸入口，就把它的輸入信號作為時鐘，那是沒問題的。但我們一般不這么做，因為時鐘信號對于我們來說是一個很重要的信號，因此FPGA在內(nèi)部會有特殊照顧，如果你使用FPGA傳門為時鐘預留的管腳，并作一些處理，那么你的時鐘對于各種模塊的時延是可以忽略的，因為時鐘在布線時是單獨走的一層，而如果你就僅用普通IO的話，經(jīng)過FPGA內(nèi)部布局布線后，從它的輸?shù)?，再到各個使用時鐘的地方，有的線長，有的線短，它的時延將是不一樣的。這些東西還是看一些FPGA結(jié)構(gòu)的內(nèi)容吧。

在xilinx里有專門的DCM IP核可供調(diào)用，在ISE中執(zhí)行project——>New Source——>IP(CORE Generator Architecture Wizard)——>FPGA Features and Design——>Clocking——>Virtex-4——>Single DCM ADV v9.1i，可得如下界面：

需要特別注意的是CLKIN Source需要選擇是External還是Internal，各自生成的源文件如下：

==========================選擇External=========================

`TImescale 1ns / 1ps

module clk_test(CLKIN_IN,
CLKIN_IBUFG_OUT,
CLK0_OUT,
LOCKED_OUT);

input CLKIN_IN;
output CLKIN_IBUFG_OUT;
output CLK0_OUT;
output LOCKED_OUT;

wire CLKFB_IN;
wire CLKIN_IBUFG;
wire CLK0_BUF;
wire GND_BIT;
wire [6:0] GND_BUS_7;
wire [15:0] GND_BUS_16;

assign GND_BIT = 0;
assign GND_BUS_7 = 7b0000000;
assign GND_BUS_16 = 16b0000000000000000;
assign CLKIN_IBUFG_OUT = CLKIN_IBUFG;
assign CLK0_OUT = CLKFB_IN;
IBUFG CLKIN_IBUFG_INST (.I(CLKIN_IN),
.O(CLKIN_IBUFG));
BUFG CLK0_BUFG_INST (.I(CLK0_BUF),
.O(CLKFB_IN));
DCM_ADV DCM_ADV_INST (.CLKFB(CLKFB_IN),
.CLKIN(CLKIN_IBUFG),
.DADDR(GND_BUS_7[6:0]),
.DCLK(GND_BIT),
.DEN(GND_BIT),
.DI(GND_BUS_16[15:0]),
.DWE(GND_BIT),
.PSCLK(GND_BIT),
.PSEN(GND_BIT),
.PSINCDEC(GND_BIT),
.RST(GND_BIT),
.CLKDV(),
.CLKFX(),
.CLKFX180(),
.CLK0(CLK0_BUF),
.CLK2X(),
.CLK2X180(),
.CLK90(),
.CLK180(),
.CLK270(),
.DO(),
.DRDY(),
.LOCKED(LOCKED_OUT),
.PSDONE());
defparam DCM_ADV_INST.CLK_FEEDBACK = 1X;
defparam DCM_ADV_INST.CLKDV_DIVIDE = 2.0;
defparam DCM_ADV_INST.CLKFX_DIVIDE = 1;
defparam DCM_ADV_INST.CLKFX_MULTIPLY = 4;
defparam DCM_ADV_INST.CLKIN_DIVIDE_BY_2 = FALSE;
defparam DCM_ADV_INST.CLKIN_PERIOD = 16.129;
defparam DCM_ADV_INST.CLKOUT_PHASE_SHIFT = NONE;
defparam DCM_ADV_INST.DCM_AUTOCALIBRATION = TRUE;
defparam DCM_ADV_INST.DCM_PERFORMANCE_MODE = MAX_SPEED;
defparam DCM_ADV_INST.DESKEW_ADJUST = SYSTEM_SYNCHRONOUS;
defparam DCM_ADV_INST.DFS_FREQUENCY_MODE = LOW;
defparam DCM_ADV_INST.DLL_FREQUENCY_MODE = LOW;
defparam DCM_ADV_INST.DUTY_CYCLE_CORRECTION = TRUE;
defparam DCM_ADV_INST.FACTORY_JF = 16hF0F0;
defparam DCM_ADV_INST.PHASE_SHIFT = 0;
defparam DCM_ADV_INST.STARTUP_WAIT = FALSE;
endmodule

==========================選擇Internal=========================

`timescale 1ns / 1ps

module clk1_test(CLKIN_IN,
CLK0_OUT,
LOCKED_OUT);

input CLKIN_IN;
output CLK0_OUT;
output LOCKED_OUT;

wire CLKFB_IN;
wire CLK0_BUF;
wire GND_BIT;
wire [6:0] GND_BUS_7;
wire [15:0] GND_BUS_16;

assign GND_BIT = 0;

assign GND_BUS_7 = 7b0000000;
assign GND_BUS_16 = 16b0000000000000000;
assign CLK0_OUT = CLKFB_IN;
BUFG CLK0_BUFG_INST (.I(CLK0_BUF),
.O(CLKFB_IN));
DCM_ADV DCM_ADV_INST (.CLKFB(CLKFB_IN),
.CLKIN(CLKIN_IN),
.DADDR(GND_BUS_7[6:0]),
.DCLK(GND_BIT),
.DEN(GND_BIT),
.DI(GND_BUS_16[15:0]),
.DWE(GND_BIT),
.PSCLK(GND_BIT),
.PSEN(GND_BIT),
.PSINCDEC(GND_BIT),
.RST(GND_BIT),
.CLKDV(),
.CLKFX(),
.CLKFX180(),
.CLK0(CLK0_BUF),
.CLK2X(),
.CLK2X180(),
.CLK90(),
.CLK180(),
.CLK270(),
.DO(),
.DRDY(),
.LOCKED(LOCKED_OUT),
.PSDONE());
defparam DCM_ADV_INST.CLK_FEEDBACK = 1X;
defparam DCM_ADV_INST.CLKDV_DIVIDE = 2.0;
defparam DCM_ADV_INST.CLKFX_DIVIDE = 1;
defparam DCM_ADV_INST.CLKFX_MULTIPLY = 4;
defparam DCM_ADV_INST.CLKIN_DIVIDE_BY_2 = FALSE;
defparam DCM_ADV_INST.CLKIN_PERIOD = 16.129;
defparam DCM_ADV_INST.CLKOUT_PHASE_SHIFT = NONE;
defparam DCM_ADV_INST.DCM_AUTOCALIBRATION = TRUE;
defparam DCM_ADV_INST.DCM_PERFORMANCE_MODE = MAX_SPEED;
defparam DCM_ADV_INST.DESKEW_ADJUST = SYSTEM_SYNCHRONOUS;
defparam DCM_ADV_INST.DFS_FREQUENCY_MODE = LOW;
defparam DCM_ADV_INST.DLL_FREQUENCY_MODE = LOW;
defparam DCM_ADV_INST.DUTY_CYCLE_CORRECTION = TRUE;
defparam DCM_ADV_INST.FACTORY_JF = 16hF0F0;
defparam DCM_ADV_INST.PHASE_SHIFT = 0;
defparam DCM_ADV_INST.STARTUP_WAIT = FALSE;
endmodule

比較以上兩段代碼，區(qū)別在于選擇是External時CLKIN經(jīng)過了IBUFG才到的DCM_ADV，而選擇Internal的CLKIN則直接到了DCM_AV，而IBUFG就是原語“全局時鐘緩沖”單元，我們使用時要選擇External，只有當我們的級聯(lián)兩個DCM模塊時，直接與外面相連的選External，而另一個選擇Internal。

這也是本文的一個知識點吧：兩個DCM級聯(lián)時，直接與外面相連的選External，而另一個選擇Internal。

所以本段的主題是“非GC類全局時鐘管腳是否可以作時鐘使用？”其實更多應該指的是“非GC類全局時鐘管腳是否可以接到IBUFG？”

試驗中，我們將External的DCM的輸入CLKIN輸入引腳配置成一個普通的IO口，即非GC類全局時鐘管腳，布局布線階段出現(xiàn)以下錯誤：

ERROR:Place:645 - A clock IOB clock component is not placed at an optimal clock IOB site. The clock IOB component

因此得出結(jié)論：非GC類全局時鐘管腳不可以作時鐘使用（其實是不可以接到IBUFG的輸入端）。

3）在Xilinx手冊中提到，如果使用單端輸入時鐘，要使用P類型GC全局時鐘管腳，那么空間N類型的管腳是否可以么？

所謂P類型還是N類型其實指的是IO_L1P_GC_LC或IO_L1N_GC_LC，注意這里的L1P和L1N，這就標識這個管腳是P類型還是N類型。

試驗中，我們將N類型全局時鐘管腳配置給CLKIN，結(jié)果布局布線時出現(xiàn)與（2）中一樣的錯誤。

因此得出結(jié)論：GC類全局時鐘管腳N類型管腳不可以作為單端時鐘輸入管腳（其實也是不能作為IBUFG的輸入端）

4）差分時鐘輸入時鐘管腳能否配置普通IO？N類型管腳和P類型管腳必須分別給配置P類型GC全局時鐘管腳和N類型GC全局時鐘管腳？

4.1>使用了一對普通IO配置給DCM的CLKIN_N_IN和CLKIN_P_IN，并且將這對普通的IO的P型分配給DCM的CLKIN_N_IN型輸入，IO的N型分配給DCM的CLKIN_P_IN型輸入，出現(xiàn)如下錯誤：

ERROR:Place:604 - The I/O components clkp and clkn are the P- and N-sides of a differental I/O pair. The component

4.2>使用了一對普通IO配置給DCM的CLKIN_N_IN和CLKIN_P_IN，并且對應地將這對普通的IO的P型分配給DCM的CLKIN_P_IN型輸入，IO的N型分配給DCM的CLKIN_N_IN型輸入，出現(xiàn)如下錯誤：

ERROR:Place:645 - A clock IOB clock component is not placed at an optimal clock IOB site. The clock IOB component

4.3>使用一對GC類全局時鐘IO管腳配置給DCM的CLKIN_N_IN和CLKIN_P_IN，并且將這對普通的IO的P型分配給DCM的CLKIN_N_IN型輸入，IO的N型分配給DCM的CLKIN_P_IN型輸入，出現(xiàn)與4.1中相同的錯誤。

4.4>正常配置，即使用了一對GC類全局時鐘IO管腳配置給DCM的CLKIN_N_IN和CLKIN_P_IN，并且對應地將這對普通的IO的P型分配給DCM的CLKIN_P_IN型輸入，IO的N型分配給DCM的CLKIN_N_IN型輸入，則完全正確。

因此得出結(jié)論：差分時鐘輸入時必須使用一對GC類全局時鐘IO管腳配置給DCM的CLKIN_N_IN和CLKIN_P_IN，且N類型和P類型要匹配。

其實這個歸根到底還是原語IBUFGDS在作怪，查看一下差分輸入DCM的原文件就行了：

IBUFGDS CLKIN_IBUFGDS_INST (.I(CLKIN_P_IN),
.IB(CLKIN_N_IN),
.O(CLKIN_IBUFGDS));

5）那么如果將輸入輸出口配置成非IO管腳會怎么樣呢？

在試驗中，將某一VCCO配置成了給了輸出口，結(jié)果在映射階段出現(xiàn)如下錯誤：

ERROR:MapLib:30 - LOC constraint AF17 on q2> is invalid: No such site on the

因此，不能將輸入輸出口配置成非IO管腳，當然這樣配置本身也是不合理的。