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FPGA全局时钟资源相关原语及使用




关键词:

 FPGA全局时钟资源一般使用全铜层工艺实现,并设计了专用时钟缓冲与驱动结构,从而使全局时钟到达芯片内部的所有可配置单元(CLB)、I/O单元(IOB)和选择性块RAM(Block Select RAM)的时延和抖动都为最小。为了适应复杂设计的需要,Xilinx的FPGA中集成的专用时钟资源与数字延迟锁相环(DLL)的数目不断增加,最新的Virtex II器件最多可以提供16个全局时钟输入端口和8个数字时钟管理模块(DCM)。

  与全局时钟资源相关的原语常用的与全局时钟资源相关的Xilinx器件原语包括:IBUFG、IBUFGDS、BUFG、BUFGP、BUFGCE、BUFGMUX、BUFGDLL和DCM等。

  1. IBUFG即输入全局缓冲,是与专用全局时钟输入管脚相连接的首级全局缓冲。所有从全局时钟管脚输入的信号必须经过IBUF元,否则在布局布线时会报错。IBUFG支持AGP、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVTTL、PCI、PCIX和SSTL等多种格式的IO标准。

  2. IBUFGDS是IBUFG的差分形式,当信号从一对差分全局时钟管脚输入时,必须使用IBUFGDS作为全局时钟输入缓冲。IBUFG支持BLVDS、LDT、LVDSEXT、LVDS、LVPECL和ULVDS等多种格式的IO标准。

  3. BUFG是全局缓冲,它的输入是IBUFG的输出,BUFG的输出到达FPGA内部的IOB、CLB、选择性块RAM的时钟延迟和抖动最小。

  4. BUFGCE是带有时钟使能端的全局缓冲。它有一个输入I、一个使能端CE和一个输出端O。只有当BUFGCE的使能端CE有效(高电平)时,BUFGCE才有输出。

  5. BUFGMUX是全局时钟选择缓冲,它有I0和I1两个输入,一个控制端S,一个输出端O。当S为低电平时输出时钟为I0,反之为I1。需要指出的是BUFGMUX的应用十分灵活,I0和I1两个输入时钟甚至可以为异步关系。

  6. BUFGP相当于IBUG加上BUFG。

  7. BUFGDLL是全局缓冲延迟锁相环,相当于BUFG与DLL的结合。BUFGDLL在早期设计中经常使用,用以完成全局时钟的同步和驱动等功能。随着数字时钟管理单元(DCM)的日益完善,目前BUFGDLL的应用已经逐渐被DCM所取代。

  8. DCM即数字时钟管理单元,主要完成时钟的同步、移相、分频、倍频和去抖动等。DCM与全局时钟有着密不可分的联系,为了达到最小的延迟和抖动,几乎所有的DCM应用都要使用全局缓冲资源。DCM可以用Xilinx ISE软件中的Architecture Wizard直接生成。

  全局时钟资源的使用方法(五种)

  1:IBUFG + BUFG的使用方法:

  IBUFG后面连接BUFG的方法是最基本的全局时钟资源使用方法,由于IBUFG组合BUFG相当于BUFGP,所以在这种使用方法也称为BUFGP方法。

  2. IBUFGDS + BUFG的使用方法:

  当输入时钟信号为差分信号时,需要使用IBUFGDS代替IBUFG。

  3. IBUFG + DCM + BUFG的使用方法

  这种使用方法最灵活,对全局时钟的控制更加有效。通过DCM模块不仅仅能对时钟进行同步、移相、分频和倍频等变换,而且可以使全局时钟的输出达到无抖动延迟。

  4. Logic + BUFG的使用方法:

  BUFG不但可以驱动IBUFG的输出,还可以驱动其它普通信号的输出。当某个信号(时钟、使能、快速路径)的扇出非常大,并且要求抖动延迟最小时,可以使用BUFG驱动该信号,使该信号利用全局时钟资源。但需要注意的是,普通IO的输入或普通片内信号进入全局时钟布线层需要一个固有的延时,一般在10ns左右,即普通IO和普通片内信号从输入到BUFG输出有一个约10ns左右的固有延时,但是BUFG的输出到片内所有单元(IOB、CLB、选择性块RAM)的延时可以忽略不计为“0”ns。

  5. Logic + DCM + BUFG的使用方法:

  DCM同样也可以控制并变换普通时钟信号,即DCM的输入也可以是普通片内信号。使用全局时钟资源的注意事项全局时钟资源必须满足的重要原则是:使用IBUFG或IBUFGDS的充分必要条件是信号从专用全局时钟管脚输入。换言之,当某个信号从全局时钟管脚输入,不论它是否为时钟信号,都必须使用IBUFG或IBUFGDS;如果对某个信号使用了IBUFG或IBUFGDS硬件原语,则这个信号必定是从全局时钟管脚输入的。如果违反了这条原则,那么在布局布线时会报错。这条规则的使用是由FPGA的内部结构决定的:IBUFG和IBUFGDS的输入端仅仅与芯片的专用全局时钟输入管脚有物理连接,与普通IO和其它内部CLB等没有物理连接。另外,由于BUFGP相当于IBUFG和BUFG的组合,所以BUFGP的使用也必须遵循上述的原则。

  全局时钟资源的例化方法

  全局时钟资源的例化方法大致可分为两种:

  一是在程序中直接例化全局时钟资源;

  二是通过综合阶段约束或者实现阶段约束实现对全局时钟资源的使用;

  第一种方法比较简单,用户只需按照前面讲述的5种全局时钟资源的基本使用方法编写代码或者绘制原理图即可。

  第二方法是通过综合阶段约束或实现阶段的约束完成对全局时钟资源的调用,这种方法根据综合工具和布局布线工具的不同而异。

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