基于FPGA的高頻時鐘的分頻和分配設計

關鍵詞：FPGA；高頻時鐘；VHDL

１ 引言

隨著應用系統(tǒng)向高速度、低功耗和低電壓方向的發(fā)展，對電路設計的要求越來越高?傳統(tǒng)集成電路設計技術已無法滿足性能日益提高的整機系統(tǒng)的要求。同時，由于ＩＣ設計與工藝技術水平的提高，集成電路規(guī)模越來越大，復雜程度越來越高。目前已經可以將整個系統(tǒng)集成在一個芯片上，即片上系統(tǒng)（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ?縮寫為ＳＯＣ），這種芯片以具有系統(tǒng)級性能的復雜可編程邏輯器件（ＣＰＬＤ）和現(xiàn)場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）為主要代表。與主要實現(xiàn)組合邏輯功能的ＣＰＬＤ相比，ＦＰＧＡ主要用于實現(xiàn)時序邏輯功能。對于ＡＳＩＣ設計來說，采用ＦＰＧＡ在實現(xiàn)小型化、集成化和高可靠性系統(tǒng)的同時，還可以減少風險、降低成本、縮短開發(fā)周期。

２　系統(tǒng)硬件組成

本文介紹的時鐘板主要由于為ＰＥＴ（正電子發(fā)射斷層掃描儀）的前端電子學模塊提供３２路系統(tǒng)時鐘（６２．５ＭＨｚ）和３２路同步時鐘（４ＭＨｚ）。時鐘信號之間的偏差要求在２ｎｓ之內。為了消除各路時鐘信號之間的偏差，文中介紹利用ＦＰＧＡ來實現(xiàn)主時鐘的分頻、零延時輸出和分配，同時利用ＬＶＤＳ技術實現(xiàn)多路時鐘的傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法。圖１所示是其硬件設計示意圖。

由圖１可知，該時鐘電路的具體工作原理是：首先由精密晶體振蕩器產生６２．５ＭＨｚ的時鐘信號，然后經時鐘驅動芯片ＣＹ２３０５輸入ＦＰＧＡ芯片的時鐘引腳ＧＣＬＫ以作為時鐘源。該時鐘在ＦＰＧＡ芯片內部經ＤＬＬ（延遲鎖定環(huán)）模塊分別生成６２．５ＭＨｚ的系統(tǒng)時鐘和４ＭＨｚ的同步時鐘?ＬＶＴＴＬ電平信號?，然后由內部的ＩＯＢ（輸入輸出功能模塊）分配到６４個輸出引腳（３２路６２．５ＭＨｚ系統(tǒng)時鐘和３２路４ＭＨｚ同步時鐘），這６４路ＬＶＴＴＬ電平信號兩兩進入３２塊ＬＶＤＳ（兩路）驅動轉換芯片后，即可轉換為ＬＶＤＳ信號并通過差分雙絞線傳輸給前端電子學模塊的３２塊數(shù)字電路板。

圖2

２．１ ＦＰＧＡ的結構

單元型ＦＰＧＡ主要由三部分組成：可配置邏輯模塊ＣＬＢ（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｂｌｏｃｋ），輸入、輸出模塊Ｉ／ＯＢ和可編程連線ＰＩ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）。對于不同規(guī)格的芯片，可分別包含８８、２０２０、４４４４甚至９２９２個ＣＬＢ陣列，同時配有６４、１６０、３５２、甚至４４８個Ｉ／ＯＢ以及為實現(xiàn)可編程連線所必需的其它部件。圖２所示是本設計中使用的ＸＣ２Ｓ３０芯片的內部結構。

２．２ Ｘｉｎｌｉｎｘ公司的ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列ＦＰＧＡ

Ｘｉｎｌｉｎｘ公司目前生產的ＦＰＧＡ有兩類代表性產品?一類是ＸＣ４０００３／Ｓｐａｒｔａｎ系列?另一類是Ｖｉｒ-ｔｅｘ／ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列。這兩類產品除具有ＦＰＧＡ的三種基本資源（可編程Ｉ／Ｏ、可編程邏輯功能模塊ＣＬＢ和可編程布線等）外?還具有片內ＲＡＭ資源。但兩種產品也有所不同。其中ＸＣ４０００Ｅ可以用于實現(xiàn)片內分布ＲＡＭ，同時專門為實現(xiàn)可編程片上系統(tǒng)開發(fā)的Ｖｉｒｔｅｘ系列，其片內分布ＲＡＭ和塊ＲＡＭ都可以實現(xiàn)，并可實現(xiàn)片上系統(tǒng)所要求的其他性能，如時鐘分配和多種電平接口等特性。ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列與Ｖｉｒｔｅｘ系列產品相比，除了塊ＲＡＭ數(shù)量少于Ｖｉｒｔｅｘ系列產品外，其余有關性能（如典型門范圍、線寬、金屬層、芯內電壓、芯片輸入輸出引腳電壓、系統(tǒng)頻率和所含ＤＬＬ個數(shù)等）都基本相同，它的一個突出優(yōu)點（也是本設計選用該系列芯片的主要原因）是：該系列產品是專門為取代掩膜門陣列的低價位ＦＰＧＡ，在達到門陣列數(shù)量時，其價格可與門陣列相比。因此，本文介紹的時鐘電路的設計選用ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列ＦＰ-ＧＡ中的ＸＣ２Ｓ３０－５ＰＱ２０８芯片來實現(xiàn)。

３　用ＦＰＧＡ實現(xiàn)時鐘分頻和分配

如圖２所示?ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列芯片內部含有四個全數(shù)字延時鎖定環(huán)（ＤＬＬ），每一個ＤＬＬ可驅動兩個全局時鐘分布網(wǎng)絡。通過控制ＤＬＬ輸出時鐘的一個采樣?可以補償由于布線網(wǎng)絡帶來的時鐘延時，從而有效消除從外部輸入端口到器件內部各個時鐘負載的延時。ＤＬＬ除提供對用戶輸入時鐘的零延時之外，還具有時鐘倍頻和分頻功能。它可以對時鐘源進行兩倍頻和１．５、２、３、４、５、８或１６分頻。本設計就是利用ＤＬＬ的零延時和分頻功能來實現(xiàn)對６２．５ＭＨｚ時鐘的輸出和１６分頻后４ＭＨｚ（約）時鐘的輸出。

３．１ 數(shù)字延時鎖定環(huán)（ＤＬＬ）的結構原理

圖３是一個ＤＬＬ的內部原理框圖，它由各類時鐘延時線和控制邏輯組成。延時線主要用于對時鐘輸入端ＣＬＫＩＮ產生一個延時。通過器件內部的時鐘分布網(wǎng)絡可將該輸入時鐘分配給所有的內部寄存器和時鐘反饋端ＣＬＫＦＢ?？刂七壿媱t主要用于采樣輸入時鐘和反饋時鐘以調整延時線。這里所說的延時線由壓控延時或衰減延時組件構成，ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列芯片選用了后者。ＤＬＬ可在輸入時鐘和反饋時鐘之間不停地插入延時，直到兩個時鐘的上升沿同步為止。當兩時鐘同步時，ＤＬＬ鎖定。在ＤＬＬ鎖定后，只要輸入時鐘沒有變化，兩時鐘就不會出現(xiàn)可識別偏差。因此，ＤＬＬ輸出時鐘就補償了時鐘分布網(wǎng)絡帶來的輸入時鐘延時，從而消除了源時鐘和負載之間的延時。

３．２ ＤＬＬ功能的實現(xiàn)

ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列芯片內含專門實現(xiàn)ＤＬＬ功能的宏單元模塊ＢＵＦＧＤＬＬ，其結構簡圖如圖４所示。該模塊由ＩＢＵＦＧ、ＣＬＫＤＬＬ和ＢＵＦＧ三個庫元件組成?其原理框圖如圖５所示。圖５中，ＣＬＫＤＬＬ庫元件用于實現(xiàn)ＤＬＬ的主要功能?包括完成時鐘的零延時輸出、時鐘的倍頻以及分頻和鏡像操作。而ＩＢＵＦＧ和ＢＵＦＧ則分別實現(xiàn)外部時鐘的輸入以及將輸出時鐘分配到芯片引腳。本設計的時鐘分頻就是將６２．５ＭＨｚ的時鐘由ＩＢＵＦＧ輸入?經ＣＬＫＤＬＬ分頻后再由ＣＬＫＤＶ端傳給ＢＵＦＧ?然后經片內ＩＯＢＵＦ分配到芯片的普通Ｉ／Ｏ輸出引腳。

４　軟件實現(xiàn)

在設計的總體構思和器件選擇完成后，必須進行的工作是建立設計輸入文件，該文件主要用于描述所設計電路的邏輯功能。這里使用的是ＸＩＬＩＮＸ公司提供的開發(fā)工具ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ ４．１。本設計采用硬件描述語言ＶＨＤＬ來設計，其部分程序如下：

ｅｎｔｉｔｙ ｌｖｄｓ ｉｓ

ｐｏｒｔ (

ｐｃｌｋ: ｉｎ ＳＴＤ ＬＯＧＩＣ;

ｐｃｌｋ_６２: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(３１ ｄｏｗｎｔｏ ０);?

ｐｃｌｋ_４: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(３１ ｄｏｗｎｔｏ ０));

ｅｎｄ ｌｖｄｓ;

ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｌｖｄｓ_ａｒｃｈ ｏｆ ｌｖｄｓ ｉｓ

ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｌｋｄｌｌ

ｐｏｒｔ( ｃｌｋｉｎ: ｉｎ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｃｌｋｆｂ : ｉｎ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｒｓｔ: ｉｎ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｃｌｋ０: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｃｌｋ９０ : ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｃｌｋ１８０: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｃｌｋ２７０: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｃｌｋ２ｘ : ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｃｌｋｄｖ: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｌｏｃｋｅｄ: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ);

ｅｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ;

ｂｅｇｉｎ

ｒｅｓｅｔ ｎ＜＝‘０＇ ；

ｕｉｂｕｆ : ｉｂｕｆｇ ｐｏｒｔ ｍａｐ (

ｉ ＝＞ ｐｃｌｋ,

ｏ ＝＞ ｃｌｋ);

ｕｄｌｌ: ｃｌｋｄｌｌ ｐｏｒｔ ｍａｐ( ｃｌｋｉｎ ＝＞ ｃｌｋ,

ｒｓｔ ＝＞ ｒｅｓｅｔ_ｎ,

ｃｌｋｆｂ ＝＞ ｃｌｋｆｂ,

ｃｌｋ０ ＝＞ ｃｌｋ０,

ｃｌｋ９０ ＝＞ ｏｐｅｎ,

ｃｌｋ１８０ ＝＞ ｏｐｅｎ,

ｃｌｋ２７０ ＝＞ ｏｐｅｎ,

ｃｌｋ２ｘ ＝＞ ｃｌｋ２ｘ,

ｃｌｋｄｖ ＝＞ ｃｌｋｄｖ,

ｌｏｃｋｅｄ ＝＞ ｌｏｃｋｅｄ

);

ｂｕｆｇ_ｃｌｋ０: ｂｕｆｇ ｐｏｒｔ ｍａｐ ( ｉ ＝＞ ｃｌｋ０,

ｏ＝＞ｃｌｋ_ｉｎｔ２;

);

ｃｌｋｆｂ＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ２;

ｐｒｏｃｅｓｓ(ｃｌｋ２ｘ);

ｂｅｇｉｎ

ｉｆ ｃｌｋ２ｘ′ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ２ｘ＝′１′ ｔｈｅｎ

ｃｌｋ_ｉｎｔ ＜＝ｃｌｋ ｉｎｔ２；

ｃｌｋ_ｉｎｔ３＜＝ ｃｌｋｄｖ；

ｐｃｌｋ_６２（０）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ；

ｐｃｌｋ_６２（１）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ；

…

…

ｐｃｌｋ_６２（３１）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ；

ｐｃｌｋ_４（０）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ３；

ｐｃｌｋ_４（１）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ３；

…

…

ｐｃｌｋ_４（３１）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ３；

ｅｎｄ ｉｆ；

ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ；

ｅｎｄ ｌｖｄｓ_ａｒｃｈ；