FPGA全局時鐘資源相關(guān)Xilinx器件原語及使用

FPGA全局時鐘資源一般使用全銅層工藝實(shí)現(xiàn)，并設(shè)計(jì)了專用時鐘緩沖與驅(qū)動結(jié)構(gòu)，從而使全局時鐘到達(dá)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(yīng)復(fù)雜設(shè)計(jì)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(guān)的Xilinx器件原語包括：IBUFG、IBUFGDS、BUFG、BUFGP、BUFGCE、BUFGMUX、BUFGDLL和DCM等。

　　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(bào)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(biāo)準(zhǔn)。

　　2. IBUFGDS是IBUFG的差分形式，當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)。

　　3. BUFG是全局緩沖，它的輸入是IBUFG的輸出，BUFG的輸出到達(dá)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(dāng)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(dāng)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(yīng)用十分靈活，I0和I1兩個輸入時鐘甚至可以為異步關(guān)系。

　　6. BUFGP相當(dāng)于IBUG加上BUFG。

　　7. BUFGDLL是全局緩沖延遲鎖相環(huán)，相當(dāng)于BUFG與DLL的結(jié)合。BUFGDLL在早期設(shè)計(jì)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(yīng)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(dá)到最小的延遲和抖動，幾乎所有的DCM應(yīng)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(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(dāng)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(dāng)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(jìn)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(dá)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(dāng)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(jìn)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(jì)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(xiàng)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(dāng)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(bào)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(dāng)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(shí)現(xiàn)階段約束實(shí)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。