FPGA設(shè)計(jì)小Tips：如何正確使用FPGA的時(shí)鐘資源

FPGA設(shè)計(jì)小Tips：如何正確使用FPGA的時(shí)鐘資源把握DCM、PLL、PMCD和MMCM知識(shí)是穩(wěn)健可靠的時(shí)鐘設(shè)計(jì)策略的基礎(chǔ)。賽靈思在其FPGA中提供了豐富的時(shí)鐘資源，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員在他們的FPGA設(shè)計(jì)中或多或少都會(huì)用到。不過(guò)對(duì)FPGA設(shè)計(jì)新手來(lái)說(shuō)，什么時(shí)候用DCM、PLL、PMCD和MMCM四大類型中的哪一種，讓他們頗為困惑。賽靈思現(xiàn)有的FPGA中沒(méi)有一款同時(shí)包含這四種資源（見(jiàn)表1）。這四大類中的每一種都針對(duì)特定的應(yīng)用。例如，數(shù)字時(shí)鐘管理器（DCM）適用于實(shí)現(xiàn)延遲鎖相環(huán)（DLL）、數(shù)字頻率綜合器、數(shù)字移相器或數(shù)字頻譜擴(kuò)展器。DCM還是鏡像、發(fā)送或再緩沖時(shí)鐘信號(hào)的理想選擇。另一種時(shí)鐘資源相位匹配時(shí)鐘分頻器（PMCD）可用于實(shí)現(xiàn)相位匹配分配時(shí)鐘或相位匹配延遲時(shí)鐘。鎖相環(huán)（PLL）和混合模式時(shí)鐘管理器（MMCM）處理的工作有許多是相同的，比如頻率綜合、內(nèi)外部時(shí)鐘抖動(dòng)濾波、時(shí)鐘去歪斜等。這兩種資源也可用于鏡像、發(fā)送或再緩沖時(shí)鐘信號(hào)。在深思設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)時(shí)，把這些通常用法記在心里，有助于理清時(shí)鐘選擇的思路。對(duì)于長(zhǎng)期產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃而言，在制定合適的時(shí)鐘策略時(shí)，應(yīng)考慮各個(gè)器件系列之間的兼容性。下面讓我們深入了解一下這些時(shí)鐘資源。您可以使用DCM將時(shí)鐘源的輸入時(shí)鐘信號(hào)相乘，生成高頻率時(shí)鐘信號(hào)。與此類似，可以將來(lái)自高頻率時(shí)鐘源的輸入時(shí)鐘信號(hào)相除，生成低頻率時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)字時(shí)鐘管理器顧名思義，數(shù)字時(shí)鐘管理器（DCM）是一種用于管理時(shí)鐘架構(gòu)并有助于時(shí)鐘信號(hào)成形和操控的模塊。DCM內(nèi)含一個(gè)延遲鎖相環(huán)（DLL），可根據(jù)輸入時(shí)鐘信號(hào)，去除DCM輸出時(shí)鐘信號(hào)的歪斜，從而避免時(shí)鐘分配延遲。DLL內(nèi)含一個(gè)延遲元件和控制邏輯鏈路。延遲元件的輸出是輸入時(shí)鐘延遲所得。延遲時(shí)間取決于延遲元件在延遲鏈路中的位置。這種延遲體現(xiàn)為針對(duì)原始時(shí)鐘的相位改變或相移，這就是所謂的“數(shù)字相移”。圖1所示的即為Virtex-4器件中的典型DCM模塊。根據(jù)Virtex-4FPGA用戶指南（UG070，2.6版本）的介紹，Virtex-4中有三種不同的DCM原語(yǔ)。一般來(lái)說(shuō)，DLL與PLL類似。但與PLL不同的是DLL不含壓控振蕩器（VCO）。PLL會(huì)一直存儲(chǔ)相位和頻率信息，而DLL只存儲(chǔ)相位信息。因此，DLL略比PLL穩(wěn)定。DLL和PLL這兩種類型都可以使用模擬和數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)，或者混合兩種技術(shù)設(shè)計(jì)。但賽靈思器件中的DCM采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)。由于DCM可以在時(shí)鐘路徑上引入延遲，比如您就可使用DCM可以精確地為DRAM生成行和列訪問(wèn)選通信號(hào)的時(shí)序。與此類似，數(shù)據(jù)總線上的各個(gè)數(shù)據(jù)位可以在不同的時(shí)間到達(dá)。為了正確對(duì)數(shù)據(jù)位采樣，接收端的時(shí)鐘信號(hào)必須適當(dāng)?shù)嘏c所有數(shù)據(jù)位的到達(dá)保持同步。如果接收器使用發(fā)射時(shí)鐘，可能會(huì)要求延遲從發(fā)送端到接收端的時(shí)鐘信號(hào)。有時(shí)設(shè)計(jì)可能需要一個(gè)更高的時(shí)鐘頻率來(lái)運(yùn)行FPGA上的邏輯。但是，只有低頻率輸出的時(shí)鐘源可以用。此時(shí)可以使用DCM將時(shí)鐘源的輸入時(shí)鐘信號(hào)相乘，生成高頻率時(shí)鐘信號(hào)。與此類似，可以將來(lái)自高頻率時(shí)鐘源的輸入時(shí)鐘信號(hào)相除，生成低頻率時(shí)鐘信號(hào)。這種技術(shù)稱為“數(shù)字頻率綜合”。設(shè)計(jì)人員使用擴(kuò)頻時(shí)鐘并通過(guò)調(diào)制時(shí)鐘信號(hào)來(lái)降低時(shí)鐘信號(hào)的峰值電磁輻射。未經(jīng)調(diào)制的時(shí)鐘信號(hào)的峰值會(huì)產(chǎn)生高電磁輻射。但經(jīng)調(diào)制后，電磁輻射被擴(kuò)展到一系列時(shí)鐘頻率上，從而降低了所有頻點(diǎn)的輻射。一般來(lái)說(shuō)，如果需要滿足一定的最大電磁輻射要求和在FPGA上執(zhí)行高速處理的時(shí)候（比如說(shuō)通信系統(tǒng)中接收器使用的解串器），就需要使用擴(kuò)頻時(shí)鐘。因此，F(xiàn)PGA中的DCM將乘以輸入擴(kuò)頻時(shí)鐘信號(hào)，在內(nèi)部生成高頻時(shí)鐘信號(hào)。DCM的輸出必須準(zhǔn)確地跟隨擴(kuò)頻時(shí)鐘，以保持相位和頻率對(duì)齊并更新去歪斜和相移。DCM相位和頻率對(duì)齊的惡化會(huì)降低接收器的歪斜裕量。建立時(shí)鐘的鏡像需要將時(shí)鐘信號(hào)送出FPGA器件，然后又將它接收回來(lái)?？梢允褂眠@種方法為多種器件的板級(jí)時(shí)鐘信號(hào)去歪斜。DCM能夠把時(shí)鐘信號(hào)從FPGA發(fā)送到另一個(gè)器件。這是因?yàn)镕PGA的輸入時(shí)鐘信號(hào)不能直接路由到輸出引腳，沒(méi)有這樣的路由路徑可用。如果僅需要發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，那么使用DCM將時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送到輸出引腳，可以確保信號(hào)的保真度。另外也可選擇在時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送之前，將DCM輸出連接到ODDR觸發(fā)器。當(dāng)然也可以選擇不使用DCM，僅使用ODDR來(lái)發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)。往往時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器需要將時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)到設(shè)計(jì)的多個(gè)組件。這會(huì)增大時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的負(fù)荷，導(dǎo)致出現(xiàn)時(shí)鐘歪斜及其它問(wèn)題。在這種情況下，需要采用時(shí)鐘緩沖來(lái)平衡負(fù)載。時(shí)鐘可以連接到FPGA上的一系列邏輯塊上。為確保時(shí)鐘信號(hào)在遠(yuǎn)離時(shí)鐘源的寄存器上有合適的上升和下降時(shí)間（從而將輸入輸出時(shí)延控制在允許的范圍內(nèi)），需要在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器和負(fù)載之間插入時(shí)鐘緩沖器。DCM可用作時(shí)鐘輸入引腳和邏輯塊之間的時(shí)鐘緩沖器。最后，還可以使用DCM將輸入時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分I/O標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如，DCM可以將輸入的LVTTL時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送出去。相位匹配時(shí)鐘分頻器設(shè)計(jì)人員可使用相位匹配時(shí)鐘分頻器（PMCD）來(lái)生成相位匹配的分頻輸入時(shí)鐘信號(hào)。這與分頻時(shí)鐘的DCM頻率綜合相似。PMCD還能生成設(shè)計(jì)中相位匹配但有延遲的時(shí)鐘信號(hào)。在后一種情況下，PCMD能夠在輸入時(shí)鐘信號(hào)和其它PMCD輸入時(shí)鐘信號(hào)之間保持邊緣對(duì)齊、相位關(guān)系和歪斜。與DCM不同的是，在分頻器的值可配置的情況下，賽靈思器件中現(xiàn)有的PMCD生成的時(shí)鐘信號(hào)僅按2、4和8分頻。這意味著PMCD生成的時(shí)鐘信號(hào)的頻率是輸入時(shí)鐘信號(hào)的1/2、1/4和1/8。在如Virtex-4FPGA這樣的賽靈思器件中，PMCD緊鄰DCM并與其位于同一列上。每一列有兩個(gè)PMCD-DCM對(duì)。因此DCM的輸出可以驅(qū)動(dòng)PMCD的輸入。由于DCM還負(fù)