剖析具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)時(shí)鐘方案

時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案在復(fù)雜的FPGA設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)時(shí)鐘方案是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。設(shè)計(jì)者需要很好地掌握目標(biāo)器件所能提供的時(shí)鐘資源及它們的限制，需要了解不同設(shè)計(jì)技術(shù)之間的權(quán)衡，并且需要很好地掌握一系列設(shè)計(jì)實(shí)踐知識。

不正確的設(shè)計(jì)或次優(yōu)的時(shí)鐘方案可能會導(dǎo)致在最好情況下較差的設(shè)計(jì)性能，或者在最壞情況下的隨機(jī)和難以查找的錯(cuò)誤。FPGA時(shí)鐘資源指目標(biāo)FPGA中大量與時(shí)鐘有關(guān)的不同資源，如時(shí)鐘類型（局部的和全局的）、頻率限制和不同時(shí)鐘管理器的抖動特性，以及能用于單個(gè)時(shí)鐘域的時(shí)鐘最大數(shù)量。本文介紹了時(shí)鐘設(shè)計(jì)方案中的每個(gè)部分，并推薦了一些設(shè)計(jì)方法。

內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘是組合邏輯或寄存器的輸出，如圖1所示。

組合邏輯產(chǎn)生的時(shí)鐘可能有毛刺，會被錯(cuò)誤地當(dāng)成有效時(shí)鐘邊沿，在設(shè)計(jì)中會導(dǎo)致功能錯(cuò)誤。因此，不要使用組合邏輯的輸出作為時(shí)鐘。內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘使用通用布線資源。因此，與專用時(shí)鐘布線相比延遲較長。其后果是時(shí)鐘偏移增加，滿足時(shí)序的過程更加困難。如果大量的邏輯使用了該內(nèi)部時(shí)鐘，這個(gè)問題尤為突出。公眾號：OpenFPGA作為一般規(guī)則，盡量避免使用內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘，盡可能使用專用時(shí)鐘資源。

除了一些特殊電路［如雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）的數(shù)據(jù)捕獲］之外，寄存數(shù)據(jù)通?？偸鞘褂脮r(shí)鐘的上升沿或下降沿。使用兩個(gè)邊沿帶來的問題是由于時(shí)鐘占空比可能并不總是50%，這會對電路的正常工作產(chǎn)生影響。

建議在頻率高的情況下使用差分時(shí)鐘。通常認(rèn)為頻率高于100MHz以上屬于高頻。差分時(shí)鐘相比單端時(shí)鐘的主要優(yōu)勢是共模噪聲抑制，因此抗噪聲性能更好。具有PECL、LVPECL和LVDS信號電平的差分時(shí)鐘是高速邏輯下時(shí)鐘的首選。Xilinx FPGA提供了一些用于差分時(shí)鐘的專用原語：IBUFDS、IBUFGDS、IBUFGDS_DIFF、OBUFDS、0BUFTDS等（見圖2）。

時(shí)鐘門控是設(shè)計(jì)中通過使用控制信號，禁止或允許時(shí)鐘輸入到寄存器和其他同步元件上的一種方法。它能有效降低功耗，因此被廣泛應(yīng)用于ASIC設(shè)計(jì)中。然而，在FPGA設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免使用門控時(shí)鐘。

不建議將時(shí)鐘信號作為通用邏輯的控制、復(fù)位或數(shù)據(jù)輸入。下面是這類電路的例子。

module clock_schemes（input clk1，clk2，clk3，clk4，clk5，input data_in，output reg data_out1，data_out2，data_out3，data_out4，data_out5，data_out6）;wire data_from_clock， reset_from_clock， control_from_clock;/ / 時(shí)鐘被用做數(shù)據(jù)輸入assign data_from_clock = clk1;always @（posedge clkl） data out1 《= ~data out1;

always @（posedge clk2） data out2 《= ~data out2 & data_from_clock;

/ / 時(shí)鐘被用做復(fù)位輸入assign reset_from_clock = clk3;always @（posedge clk3） data out3 《= ~data out2;always @（posedge clk4， posedge reset_from_clock） if （reset_from_clock） data_out4 《= 0; else data out4 《= data in;/ / 時(shí)鐘被用做控制assign control_from_clock = clk5;always @（posedge clk5） data out5 《= ~data out5;always @（*） data_out6 = control_from_clock ？ data_in ： data_out6;endmodule // clock schemes

許多與FPGA接口的外設(shè)都使用與數(shù)據(jù)一樣的源同步時(shí)鐘。如果接口在高速下工作，可能需要對時(shí)鐘邊沿進(jìn)行校準(zhǔn)，以便在數(shù)據(jù)窗口的中間捕獲數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)動態(tài)校準(zhǔn)Xilinx MMCM原語提供了動態(tài)重新配置端口DRP），允許時(shí)鐘的可編程相位偏移。圖3說明了來自MMCM的時(shí)鐘被移位后，使時(shí)鐘的上升沿在窗口的中間位置采樣數(shù)據(jù)。

當(dāng)同一個(gè)邏輯有來自不同時(shí)鐘源的時(shí)鐘時(shí)，需要在設(shè)計(jì)中對這些時(shí)鐘源進(jìn)行時(shí)鐘復(fù)用（見圖4）。一個(gè)例子是使用2.5MHz、25MHz或125MHz時(shí)鐘的以太網(wǎng)MAC，選取哪種時(shí)鐘取決于10Mbps、100Mbps或1Gbps的協(xié)商速度（negotiated speed）。另一個(gè)例子是電源內(nèi)置自測（BIST）電路，在正常工作期間，使用了來自同一個(gè)時(shí)鐘源的不同時(shí)鐘信號。公眾號：OpenFPGA

建議使用專用的時(shí)鐘資源實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘復(fù)用，確保輸人和輸出時(shí)鐘使用專用時(shí)鐘線，而不是通用邏輯。參與復(fù)用的時(shí)鐘頻率可能彼此并不相關(guān)。使用組合邏輯實(shí)現(xiàn)的多路復(fù)用器在切換時(shí)會在時(shí)鐘線上產(chǎn)生毛刺，從而危害整個(gè)系統(tǒng)。這些毛刺會被一些寄存器當(dāng)成有效時(shí)鐘邊沿，而被另一些寄存器忽略。

Xilinx提供了能在兩個(gè)全局時(shí)鐘源之間進(jìn)行復(fù)用的BUFGMUX原語。它還確保了當(dāng)輸人時(shí)鐘切換后不會產(chǎn)生毛刺。時(shí)鐘復(fù)用需要對復(fù)用器中所有從輸入到輸出的時(shí)鐘路徑進(jìn)行細(xì)致的時(shí)序約束

檢測時(shí)鐘缺失 （absence）的一種方法，是使用其他更高速的時(shí)鐘對其進(jìn)行過采樣，缺點(diǎn)是時(shí)鐘可能沒有可用的高速時(shí)鐘。還有一種方法是使用 Xilinx MMCM 原語的 locked 輸出，如圖 5 所示。

編輯：jq