賽靈思FPGA全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)詳解

　　在 Xilinx 系列 FPGA 產(chǎn)品中，全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)是一種全局布線資源，它可以保證時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)各個(gè)目標(biāo)邏輯單元的時(shí)延基本相同。其時(shí)鐘分配樹結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　針對(duì)不同類型的器件，Xilinx公司提供的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)在數(shù)量、性能等方面略有區(qū)別，下面以Virtex-4系列芯片為例，簡(jiǎn)單介紹FPGA全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

　　Virtex- 4系列FPGA利用1.2V、90nm三柵極氧化層技術(shù)制造而成，與前一代器件相比，具備靈活的時(shí)鐘解決方案，多達(dá)80個(gè)獨(dú)立時(shí)鐘與20個(gè)數(shù)字時(shí)鐘管理器，差分全局時(shí)鐘控制技術(shù)將歪斜與抖動(dòng)降至最低。以全銅工藝實(shí)現(xiàn)的全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，加上專用時(shí)鐘緩沖與驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，從而可使全局時(shí)鐘到達(dá)芯片內(nèi)部所有的邏輯可配置單元，且I/O單元以及塊RAM的時(shí)延和抖動(dòng)最小，可滿足高速同步電路對(duì)時(shí)鐘觸發(fā)沿的苛刻需求。

　　在FPGA設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA全局時(shí)鐘路徑需要專用的時(shí)鐘緩沖和驅(qū)動(dòng)，具有最小偏移和最大扇出能力，因此最好的時(shí)鐘方案是由專用的全局時(shí)鐘輸入引腳驅(qū)動(dòng)的單個(gè)主時(shí)鐘，去鐘控設(shè)計(jì)項(xiàng)目中的每一個(gè)觸發(fā)器。只要可能就應(yīng)盡量在設(shè)計(jì)項(xiàng)目中采用全局時(shí)鐘，因?yàn)閷?duì)于一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目來說，全局時(shí)鐘是最簡(jiǎn)單和最可預(yù)測(cè)的時(shí)鐘。

　　在軟件代碼中，可通過調(diào)用原語IBUFGP來使用全局時(shí)鐘。IBUFGP的基本用法是：

　　IBUFGP U1(.I(clk_in)， .O(clk_out));

　　全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)對(duì)FPGA設(shè)計(jì)性能的影響很大，所以本書在第11章還會(huì)更深入、更全面地介紹全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)使用方法。

　　DCM模塊的使用

　　1.DCM模塊的組成和功能介紹

　　數(shù)字時(shí)鐘管理模塊(Digital Clock Manager，DCM)是基于Xilinx的其他系列器件所采用的數(shù)字延遲鎖相環(huán)(DLL，Delay Locked Loop)模塊。在時(shí)鐘的管理與控制方面，DCM與DLL相比，功能更強(qiáng)大，使用更靈活。DCM的功能包括消除時(shí)鐘的延時(shí)、頻率的合成、時(shí)鐘相位的調(diào)整等系統(tǒng)方面的需求。DCM的主要優(yōu)點(diǎn)在于：

　　(1)實(shí)現(xiàn)零時(shí)鐘偏移(Skew)，消除時(shí)鐘分配延遲，并實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘閉環(huán)控制;

　　(2)時(shí)鐘可以映射到PCB上用于同步外部芯片，這樣就減少了對(duì)外部芯片的要求，將芯片內(nèi)外的時(shí)鐘控制一體化，以利于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)于DCM模塊來說，其關(guān)鍵參數(shù)為輸入時(shí)鐘頻率范圍、輸出時(shí)鐘頻率范圍、輸入/輸出時(shí)鐘允許抖動(dòng)范圍等。

　　DCM 共由四部分組成，如圖2所示。其中最底層仍采用成熟的DLL模塊;其次分別為數(shù)字頻率合成器(DFS，Digital Frequency Synthesizer)、數(shù)字移相器(DPS，Digital Phase Shifter)和數(shù)字頻譜擴(kuò)展器(DSS，Digital Spread Spectrum)。不同的芯片模塊的DCM輸入頻率范圍是不同的，例如：