FPGA設(shè)計小Tips：如何正確使用FPGA的時鐘資源

把握DCM、PLL、PMCD和MMCM知識是穩(wěn)健可靠的時鐘設(shè)計策略的基礎(chǔ)。賽靈思在其FPGA中提供了豐富的時鐘資源，大多數(shù)設(shè)計人員在他們的FPGA設(shè)計中或多或少都會用到。不過對FPGA設(shè)計新手來說，什么時候用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中沒有一款同時包含這四種資源(見表1)。

這四大類中的每一種都針對特定的應(yīng)用。例如，數(shù)字時鐘管理器(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)送或再緩沖時鐘信號的理想選擇。另一種時鐘資源相位匹配時鐘分頻器(PMCD)可用于實(shí)現(xiàn)相位匹配分配時鐘或相位匹配延遲時鐘。

鎖相環(huán)(PLL)和混合模式時鐘管理器(MMCM)處理的工作有許多是相同的，比如頻率綜合、內(nèi)外部時鐘抖動濾波、時鐘去歪斜等。這兩種資源也可用于鏡像、發(fā)送或再緩沖時鐘信號。

在深思設(shè)計實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)時，把這些通常用法記在心里，有助于理清時鐘選擇的思路。對于長期產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃而言，在制定合適的時鐘策略時，應(yīng)考慮各個器件系列之間的兼容性。下面讓我們深入了解一下這些時鐘資源。

您可以使用DCM將時鐘源的輸入時鐘信號相乘，生成高頻率時鐘信號。與此類似，可以將來自高頻率時鐘源的輸入時鐘信號相除，生成低頻率時鐘信號。

數(shù)字時鐘管理器

顧名思義，數(shù)字時鐘管理器(DCM)是一種用于管理時鐘架構(gòu)并有助于時鐘信號成形和操控的模塊。DCM內(nèi)含一個延遲鎖相環(huán)(DLL)，可根據(jù)輸入時鐘信號，去除DCM輸出時鐘信號的歪斜，從而避免時鐘分配延遲。

DLL 內(nèi)含一個延遲元件和控制邏輯鏈路。延遲元件的輸出是輸入時鐘延遲所得。延遲時間取決于延遲元件在延遲鏈路中的位置。這種延遲體現(xiàn)為針對原始時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。

一般來說，DLL與PLL類似。但與PLL不同的是DLL不含壓控振蕩器(VCO)。PLL會一直存儲相位和頻率信息，而DLL只存儲相位信息。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，或者混合兩種技術(shù)設(shè)計。但賽靈思器件中的DCM采用全數(shù)字化設(shè)計。

由于DCM可以在時鐘路徑上引入延遲，比如您就可使用DCM可以精確地為DRAM生成行和列訪問選通信號的時序。與此類似，數(shù)據(jù)總線上的各個數(shù)據(jù)位可以在不同的時間到達(dá)。為了正確對數(shù)據(jù)位采樣，接收端的時鐘信號必須適當(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)射時鐘，可能會要求延遲從發(fā)送端到接收端的時鐘信號。

有時設(shè)計可能需要一個更高的時鐘頻率來運(yùn)行FPGA上的邏輯。但是，只有低頻率輸出的時鐘源可以用。此時可以使用DCM將時鐘源的輸入時鐘信號相乘，生成高頻率時鐘信號。與此類似，可以將來自高頻率時鐘源的輸入時鐘信號相除，生成低頻率時鐘信號。這種技術(shù)稱為“數(shù)字頻率綜合”。

設(shè)計人員使用擴(kuò)頻時鐘并通過調(diào)制時鐘信號來降低時鐘信號的峰值電磁輻射。未經(jīng)調(diào)制的時鐘信號的峰值會產(chǎn)生高電磁輻射。但經(jīng)調(diào)制后，電磁輻射被擴(kuò)展到一系列時鐘頻率上，從而降低了所有頻點(diǎn)的輻射。一般來說，如果需要滿足一定的最大電磁輻射要求和在FPGA上執(zhí)行高速處理的時候(比如說通信系統(tǒng)中接收器使用的解串器)，就需要使用擴(kuò)頻時鐘。因此，F(xiàn)PGA中的DCM將乘以輸入擴(kuò)頻時鐘信號，在內(nèi)部生成高頻時鐘信號。 DCM的輸出必須準(zhǔn)確地跟隨擴(kuò)頻時鐘，以保持相位和頻率對齊并更新去歪斜和相移。DCM相位和頻率對齊的惡化會降低接收器的歪斜裕量。

建立時鐘的鏡像需要將時鐘信號送出FPGA器件，然后又將它接收回來?？梢允褂眠@種方法為多種器件的板級時鐘信號去歪斜。DCM能夠把時鐘信號從FPGA發(fā)送到另一個器件。這是因為FPGA的輸入時鐘信號不能直接路由到輸出引腳，沒有這樣的路由路徑可用。如果僅需要發(fā)送時鐘信號，那么使用DCM將時鐘信號發(fā)送到輸出引腳，可以確保信號的保真度。另外也可選擇在時鐘信號發(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 來發(fā)送時鐘信號。往往時鐘驅(qū)動器需要將時鐘信號驅(qū)動到設(shè)計的多個組件。這會增大時鐘驅(qū)動器的負(fù)荷，導(dǎo)致出現(xiàn)時鐘歪斜及其它問題。在這種情況下，需要采用時鐘緩沖來平衡負(fù)載。

時鐘可以連接到FPGA上的一系列邏輯塊上。為確保時鐘信號在遠(yuǎn)離時鐘源的寄存器上有合適的上升和下降時間(從而將輸入輸出時延控制在允許的范圍內(nèi))，需要在時鐘驅(qū)動器和負(fù)載之間插入時鐘緩沖器。DCM可用作時鐘輸入引腳和邏輯塊之間的時鐘緩沖器。

最后，還可以使用DCM將輸入時鐘信號轉(zhuǎn)換為差分I/O標(biāo)準(zhǔn)信號。例如，DCM可以將輸入的LVTTL時鐘信號轉(zhuǎn)換為LVDS時鐘信號發(fā)送出去。

相位匹配時鐘分頻器

設(shè)計人員可使用相位匹配時鐘分頻器(PMCD)來生成相位匹配的分頻輸入時鐘信號。這與分頻時鐘的DCM頻率綜合相似。PMCD還能生成設(shè)計中相位匹配但有延遲的時鐘信號。在后一種情況下，PCMD能夠在輸入時鐘信號和其它PMCD輸入時鐘信號之間保持邊緣對齊、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生成的時鐘信號僅按2、4和8分頻。這意味著PMCD生成的時鐘信號的頻率是輸入時鐘信號的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PMCD-DCM對。因此DCM的輸出可以驅(qū)動PMCD的輸入。

由于DCM還負(fù)責(zé)處理去歪斜，因此只要不需要去歪斜時鐘，設(shè)計人員就可以使用不帶DCM的PMCD。通過專用引腳，還可以把一列中的兩個PMCD連接起來。圖2是 Virtex-4器件中的PMCD原語。詳細(xì)內(nèi)容請參閱Virtex-4FPGA用戶指南(UG070，2.6版本)。

混合模式時鐘管理器

另一種類型的時鐘資源——混合模式時鐘管理器(MMCM)，用于在與給定輸入時鐘有設(shè)定的相位和頻率關(guān)系的情況下，生成不同的時鐘信號。不過與DCM不同是，MMCM使用PLL來完成這一工作。Virtex-6FPGA中的時鐘管理模塊(CMT)有兩個MMCM，而Virtex-7中的CMT有一個 MMCM和一個PLL。Virtex-6器件中的MMCM沒有擴(kuò)頻功能，因此輸入時鐘信號上的擴(kuò)頻不會被濾波，將直接被傳送給MMCM輸出時鐘。但 Virtex-7FPGA的MMCM卻有擴(kuò)頻功能。

Virtex-6FPGA中的MMCM要求插入一個校準(zhǔn)電路，以便在用戶復(fù)位或用戶斷電后確保MMCM正確運(yùn)行。賽靈思ISE設(shè)計套件11.5版本及更高版本能夠在設(shè)計的MAP階段自動插入必要的校準(zhǔn)電路。若使用賽靈思ISE 的更早版本，則需要使用賽靈思技術(shù)支持部提供的設(shè)計文件手動插入校準(zhǔn)電路。最后需要注意的是，在本移植該設(shè)計，以便用ISE11.5版本或更高版本實(shí)現(xiàn)時，必須手動移除校準(zhǔn)電路，或通過適當(dāng)設(shè)置每個MMCM上的綜合屬性，禁用自動插入功能。詳細(xì)介紹請參閱賽靈思答復(fù)記錄AR#33849。

對7系列器件中的MMCM就不存在這樣的問題，因為這些FPGA只得到ISE13.1版本和更高版本以及新型Vivado設(shè)計套件的支持。Virtex-6系列中提供的MMCM間專用走線可便于用戶將全局時鐘資源用于設(shè)計的其余部分。

圖 3顯示了Virtex-6FPGA中的MMCM原語。各個端口的詳細(xì)介紹請參閱Virtex-6FPGA時鐘資源用戶指南(UG362，2.1版本)。圖 4顯示了賽靈思7系列FPGA中的MMCM原語，有關(guān)詳細(xì)介紹請參閱7系列FPGA時鐘資源用戶指南(UG472，1.5版本)。

鎖相環(huán)

設(shè)計人員使用鎖相環(huán)(PLL)主要用于頻率綜合。使用一個PLL可以從一個輸入時鐘信號生成多個時鐘信號。結(jié)合DCM使用，還可以用作抖動濾波器。Spartan-6、Virtex-5和7系列FPGA中都提供有PLL。Spartan-6和 Virtex-5中均有專門的“DCM到PLL”和“PLL到DCM”走線。Spartan-6和Virtex-5中的PLL輸出是非擴(kuò)頻的。對這兩種器件而言，如果設(shè)計使用多個不同時鐘，都可以用PLL替代DCM。PLL時鐘輸出具有寬范的配置范圍，而DCM的輸出是預(yù)定的，不可配置。PLL和DCM的選擇還是取決于設(shè)計的要求。不過如果相移是必需的，就應(yīng)該明確地選擇DCM。

同時，7系列器件中的PLL所實(shí)現(xiàn)的功能沒有 MMCM所實(shí)現(xiàn)的多。因此雖然MMCM是建立在PLL架構(gòu)之上，但7系列器件中也有獨(dú)立的PLL。圖5顯示了Virtex-5FPGA中的PLL原語。各個端口的詳細(xì)介紹請參閱Virtex-5用戶指南(UG190，5.4版本)。

設(shè)計移植

掌握四種主要的時鐘資源之間的差異及其在不同器件系列中的可用性非常重要。同時，在不同的系列中，相似的資源(比如DCM)可能在功能上并不完全相同。例如，Spartan-6FPGA中的DCM支持?jǐn)U頻時鐘，但Virtex-5和Virtex-5器件中的DCM就不支持。

在規(guī)劃未來設(shè)計向更高端系列移植時，除了確保功能，為給定設(shè)計選擇正確的時鐘資源也很重要。如表1所示，Virtex-6和7系列中的MMCM能夠與之前系列中的DCM向后兼容。但需要判斷在多大程度上支持向后兼容性，因為所有這些時鐘資源都具有多功能性，提供與時鐘相關(guān)的多種不同功能。在制定產(chǎn)品長期發(fā)展規(guī)劃時，必須對兼容性了如指掌。