如何把握FPGA的數(shù)字時(shí)鐘管理器

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。不過對FPGA設(shè)計(jì)新手來說，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中沒有一款同時(shí)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(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。

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。對于長期產(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)鐘信號相乘，生成高頻率時(shí)鐘信號。與此類似，可以將來自高頻率時(shí)鐘源的輸入時(shí)鐘信號相除，生成低頻率時(shí)鐘信號。

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，去除DCM輸出時(shí)鐘信號的歪斜，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。

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(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生成行和列訪問選通信號的時(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)。為了正確對數(shù)據(jù)位采樣，接收端的時(shí)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(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。

有時(shí)設(shè)計(jì)可能需要一個(gè)更高的時(shí)鐘頻率來運(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)鐘信號相乘，生成高頻率時(shí)鐘信號。與此類似，可以將來自高頻率時(shí)鐘源的輸入時(shí)鐘信號相除，生成低頻率時(shí)鐘信號。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)鐘并通過調(diào)制時(shí)鐘信號來降低時(shí)鐘信號的峰值電磁輻射。未經(jīng)調(diào)制的時(shí)鐘信號的峰值會(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(shí)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(shí)鐘。因此，F(xiàn)PGA中的DCM將乘以輸入擴(kuò)頻時(shí)鐘信號，在內(nèi)部生成高頻時(shí)鐘信號。 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齊并更新去歪斜和相移。DCM相位和頻率對齊的惡化會(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(shí)鐘信號去歪斜。DCM能夠把時(shí)鐘信號從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(shí)鐘信號，那么使用DCM將時(shí)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(shí)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(shí)鐘信號。往往時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器需要將時(shí)鐘信號驅(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)鐘歪斜及其它問題。在這種情況下，需要采用時(shí)鐘緩沖來平衡負(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(shí)鐘信號轉(zhuǎn)換為LVDS時(shí)鐘信號發(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）來生成相位匹配的分頻輸入時(shí)鐘信號。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。在后一種情況下，PCMD能夠在輸入時(shí)鐘信號和其它PMCD輸入時(shí)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(shí)鐘信號僅按2、4和8分頻。這意味著PMCD生成的時(shí)鐘信號的頻率是輸入時(shí)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(gè)PMCD-DCM對。因此DCM的輸出可以驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘，設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)鐘管理器

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

Virtex-6FPGA中的MMCM要求插入一個(gè)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(jì)套件11.5版本及更高版本能夠在設(shè)計(jì)的MAP階段自動(dòng)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(jì)文件手動(dòng)插入校準(zhǔn)電路。最后需要注意的是，在本移植該設(shè)計(jì)，以便用ISE11.5版本或更高版本實(shí)現(xiàn)時(shí)，必須手動(dòng)移除校準(zhǔn)電路，或通過適當(dāng)設(shè)置每個(gè)MMCM上的綜合屬性，禁用自動(dòng)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?yàn)檫@些FPGA只得到ISE13.1版本和更高版本以及新型Vivado設(shè)計(jì)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(shí)鐘資源用于設(shè)計(jì)的其余部分。

圖3顯示了Virtex-6FPGA中的MMCM原語。各個(gè)端口的詳細(xì)介紹請參閱Virtex-6FPGA時(shí)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(shí)鐘資源用戶指南（UG472，1.5版本）。

鎖相環(huán)

設(shè)計(jì)人員使用鎖相環(huán)（PLL）主要用于頻率綜合。使用一個(gè)PLL可以從一個(gè)輸入時(shí)鐘信號生成多個(gè)時(shí)鐘信號。結(jié)合DCM使用，還可以用作抖動(dòng)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(jì)使用多個(gè)不同時(shí)鐘，都可以用PLL替代DCM。PLL時(shí)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(jì)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(shí)，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(gè)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(jì)移植

掌握四種主要的時(shí)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(shí)，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(shí)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(jì)向更高端系列移植時(shí)，除了確保功能，為給定設(shè)計(jì)選擇正確的時(shí)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?yàn)樗羞@些時(shí)鐘資源都具有多功能性，提供與時(shí)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(shí)，必須對兼容性了如指掌。

（作者：Sharad Sinha，南洋理工大學(xué)）
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