Xilinx可编程逻辑器件设计与开发（基础篇）连载12：Spartan

Spartan-6 器件最多包含6 个CMT，12 个PLL。PLL 的主要用途是作为频率合成器，产生更宽范围的频率输出，在与CMT 中的DCM 连接时，具有良好的滤波功能。

图2-20 Spartan-6 PLL功能框图

其中包括可编程计数器D、相位/频率检测器（Phase-Frequency Detector，PFD）、电荷泵（Charge Pump ，CP ） 、环路滤波器（Loop Filter ， LF） 、压控震荡器（Voltage Controlled Oscillator，VCO）、O0～O5 为6 个可编程计数器。

它的工作原理是，PFD将输入时钟与反馈时钟的相位和频率进行比较，产生的信号驱动CP 和LF，CP和LF 为VCO产生一个参考电压，这个参考电压将影响VCO的输出频率。那么VCO的频率是如何变化的呢？PFD完成2个时钟的比较后，产生CP和LF 的驱动信号，这个信号确定了VCO 应该工作在较高频率还是较低频率。当VCO工作频率过高时，PFD触发一个下降信号，致使控制电压下降，从而降低VCO的工作频率。当VCO工作频率过低时，PFD触发一个上升信号，致使电压上升。VCO 共产生8个输出相位，每个输出相位都可选作输出计数器的参考时钟，如图2-20所示。另外PLL 还提供了一个专用计数器M，用来控制PLL的反馈时钟，以实现大范围频率合成。6个"O"计数器可以独立编程，例如，O0可以编程为进行二分频操作，而O1编程为进行三分频操作。唯一的限制是VCO的工作频率对所有输出计数器来说必须相同，因为VCO驱动所有计数器。使用专用PLL 布线资源，必须将CLK_FEEDBACK设置CLKOUT0，按照图2-21所示使用BUFPLL和BUFIO2FB。

图2-21 带CLKOUT0反馈的PLL

当使用CLKOUT0的专用反馈路径时，输出计数器CLKOUT0_divIDE将影响VCO频率，fVCO=FIN&TImes;M&TImes;CLKOUT0_divIDE/D。

图2-22所示为PLL常用的两个模块，PLL_BASE和PLL_ADV。PLL_BASE允许使用独立的PLL 的最常用功能，包括时钟去歪斜、频率合成、粗粒度相移和占空比编程等。

PLL_ADV具备所有PLL_BASE功能，它具有更多的时钟输出。

图2-22 PLL的原语

Spartan-6 PLL是为支持时钟网络去歪斜SKEW、频率合成和减少抖动而设计的混合信号模块。接下来将详细讨论PLL 的这3种作用。
(1) PLL 对时钟网络去歪斜SKEW。

在许多情况下，设计人员在其I/O时序预算中不希望有时钟网络的延迟。其实，用PLL/DLL就可以解决这个问题，因为PLL/DLL具有补偿时钟网络的延迟的功能。当然，包括Spartan-6中的PLL。一个与参考时钟CLKIN的频率相匹配的时钟（通常是CLKFBOUT或CLKOUT0）连接到BUFG，并且反馈到PLL的CLKFB引脚。其余输出仍可用来合成更多用户所需频率。这样一来，所有的输出时钟就会与参考时钟之间有一个指定的相位关系。为了精确地降低由于时钟输入布线引起的歪斜，建议采用图2-21 所示的方法，使用BUFIO2FB缓冲器。

(2) PLL 用于频率合成。

PLL还可以用于频率合成。在这种应用中，PLL不能用于时钟网络去歪斜，而是用来为其他模块提供时钟。在这种模式下，PLL反馈通路因为要将所有布线保留为局部布线而应设置成internal反馈模式，以尽量减少抖动。图2-23所示为将PLL配置成频率合成器的示例。

图2-23 仅用于频率合成的PLL

在本例中，输入为100MHz参考时钟，设置M=5，D=1，可使VCO晶振的频率为500MHz（100MHz&TImes;5），6个PLL输出中的4个编程提供以下时钟。

250MHz GTP收发器时钟TXUSRCLK和RXUSRCLK。

125MHz PCI Express PHY时钟。

62.5MHz PCI Express用户接口和BRAM接口时钟。

50MHz逻辑时钟。

在此示例中，参考时钟和输出时钟之间没有相位关系，但是各输出时钟之间要求有相位关系。

(3) PLL用作抖动滤波器。

PLL始终可以降低参考时钟上固有的抖动。PLL可以被例化以滤掉外部时钟在驱动另一个逻辑模块前（包括DCM）的抖动。作为抖动滤波器，PLL通常被简单地视为一个缓冲器，在其输出上重新生成输入频率（例如，FIN=100MHz，FOUT=100MHz）。通常，将PLL的BANDWIDTH属性设置为Low，可以实现较强的抖动滤波，但要注意，将BANDWIDTH设置为Low会导致PLL的静态偏差增大。

如何使用PLL呢？通常有如下几种方法。

ISE软件中的PLL向导可以帮助生成各种PLL参数。

可以手动将PLL例化成一个组件。

将PLL与IP核合并，IP核将包含并管理PLL。

PLL有5种应用模型，下面分别介绍。

(1) 时钟网络去歪斜。

PLL的主要用途之一是时钟网络去歪斜。图2-24所示为这种模式下的PLL。O计数器之一的时钟输出用来驱动片内逻辑或I/O。反馈计数器用来控制输入时钟与输出时钟之间的精确相位关系（例如