FPGA设计小Tips：如何正确使用FPGA的时钟资源

在时钟驱动器和负载之间插入时钟缓冲器。DCM可用作时钟输入引脚和逻辑块之间的时钟缓冲器。

　　最后，还可以使用DCM将输入时钟信号转换为差分I/O标准信号。例如，DCM可以将输入的LVTTL时钟信号转换为LVDS时钟信号发送出去。

　　相位匹配时钟分频器

　　设计人员可使用相位匹配时钟分频器（PMCD）来生成相位匹配的分频输入时钟信号。这与分频时钟的DCM频率综合相似。PMCD还能生成设计中相位匹配但有延迟的时钟信号。在后一种情况下，PCMD能够在输入时钟信号和其它PMCD输入时钟信号之间保持边缘对齐、相位关系和歪斜。与DCM不同的是，在分频器的值可配置的情况下，赛灵思器件中现有的PMCD生成的时钟信号仅按2、4和8分频。这意味着PMCD生成的时钟信号的频率是输入时钟信号的1/2、1/4和1/8。在如Virtex-4FPGA这样的赛灵思器件中，PMCD紧邻 DCM并与其位于同一列上。每一列有两个PMCD-DCM对。因此DCM的输出可以驱动PMCD的输入。

　　由于DCM还负责处理去歪斜，因此只要不需要去歪斜时钟，设计人员就可以使用不带DCM的PMCD。通过专用引脚，还可以把一列中的两个PMCD连接起来。图2是 Virtex-4器件中的PMCD原语。详细内容请参阅Virtex-4FPGA用户指南（UG070，2.6版本）。

　　混合模式时钟管理器

　　另一种类型的时钟资源——混合模式时钟管理器（MMCM），用于在与给定输入时钟有设定的相位和频率关系的情况下，生成不同的时钟信号。不过与DCM不同是，MMCM使用PLL来完成这一工作。Virtex-6FPGA中的时钟管理模块（CMT）有两个MMCM，而Virtex-7中的CMT有一个 MMCM和一个PLL。Virtex-6器件中的MMCM没有扩频功能，因此输入时钟信号上的扩频不会被滤波，将直接被传送给MMCM输出时钟。但 Virtex-7FPGA的MMCM却有扩频功能。

　　Virtex-6FPGA中的MMCM要求插入一个校准电路，以便在用户复位或用户断电后确保MMCM正确运行。赛灵思ISE设计套件11.5版本及更高版本能够在设计的MAP阶段自动插入必要的校准电路。若使用赛灵思ISE 的更早版本，则需要使用赛灵思技术支持部提供的设计文件手动插入校准电路。最后需要注意的是，在本移植该设计，以便用ISE11.5版本或更高版本实现时，必须手动移除校准电路，或通过适当设置每个MMCM上的综合属性，禁用自动插入功能。详细介绍请参阅赛灵思答复记录AR#33849。

　　对7系列器件中的MMCM就不存在这样的问题，因为这些FPGA只得到ISE13.1版本和更高版本以及新型Vivado设计套件的支持。Virtex-6系列中提供的MMCM间专用走线可便于用户将全局时钟资源用于设计的其余部分。

　　图 3显示了Virtex-6FPGA中的MMCM原语。各个端口的详细介绍请参阅Virtex-6FPGA时钟资源用户指南（UG362，2.1版本）。图 4显示了赛灵思7系列FPGA中的MMCM原语，有关详细介绍请参阅7系列FPGA时钟资源用户指南（UG472，1.5版本）。

　　锁相环

　　设计人员使用锁相环（PLL）主要用于频率综合。使用一个PLL可以从一个输入时钟信号生成多个时钟信号。结合DCM使用，还可以用作抖动滤波器。Spartan-6、Virtex-5和7系列FPGA中都提供有PLL。Spartan-6和 Virtex-5中均有专门的"DCM到PLL"和"PLL到DCM"走线。Spartan-6和Virtex-5中的PLL输出是非扩频的。对这两种器件而言，如果设计使用多个不同时钟，都可以用PLL替代DCM。PLL时钟输出具有宽范的配置范围，而DCM的输出是预定的，不可配置。PLL和DCM的选择还是取决于设计的要求。不过如果相移是必需的，就应该明确地选择DCM。

　　同时，7系列器件中的PLL所实现的功能没有 MMCM所实现的多。因此虽然MMCM是建立在PLL架构之上，但7系列器件中也有独立的PLL。图5显示了Virtex-5FPGA中的PLL原语。各个端口的详细介绍请参阅Virtex-5用户指南（UG190，5.4版本）。

　　设计移植

　　掌握四种主要的时钟资源之间的差异及其在不同器件系列中的可用性非常重要。同时，在不同的系列中，相似的资源（比如DCM）可能在功能上并不完全相同。例如，Spartan-6FPGA中的DCM支持扩频时钟，但Virtex-5和Virtex-5器件中的DCM就不支持。

　　在规划未来设计向更高端系列移植时，除了确保功能，为给定设计选择正确的时钟资源也很重要。如表1所示，Virtex-6和7系列中的MMCM能够与之前系列中的DCM向后兼容。但需要判断在多大程度上支持向后兼容性，因为所有这些时钟资源都具有多功能性，提供与时钟相关的多种不同功能。在制定产品长期发展规划时，必须对兼容性了如指掌。