FPGA全局时钟和第二全局时钟资源的使用方法

目前,大型设计一般推荐使用同步时序电路。同步时序电路基于时钟触发沿设计,对时钟的周期、占空比、延时和抖动提出了更高的要求。为了满足同步时序设计的要求,一般在FPGA设计中采用全局时钟资源驱动设计的主时钟,以达到最低的时钟抖动和延迟。 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,如图1所示。

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。

G 单

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 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