Spartan-6 FPGA的時鐘資源及結(jié)構(gòu)介紹

1. 時鐘資源概述

時鐘設(shè)施提供了一系列的低電容、低抖動的互聯(lián)線，這些互聯(lián)線非常適合于傳輸高頻信號、最大量減小時鐘抖動。這些連線資源可以和DCM、PLL等實現(xiàn)連接。

每一種Spartan-6芯片提供16個高速、低抖動的全局時鐘資源用于優(yōu)化性能；這些資源可以背Xilinx工具自動地使用，即使時鐘頻率相對較低，使用時鐘資源來消除潛在的時序冒險仍然是十分重要的，每一個Spartan-6 FPGA提供40個超高速、低抖動的IO局部時鐘資源（32個BUFIO2S和8個BUFPLL）這些IO局部時鐘資源是為IO Serializer和de-serializer電路服務(wù)的。

Spartan-6 FPGA的時鐘資源主要由四種類型的連接器構(gòu)成：

全局時鐘輸入引腳（GCLK）

全局時鐘多路復用器（BUFG、BUFGMUX）

IO時鐘緩沖器（BUFIO2、BUFIO2_2CLK、BUFPLL）

水平方向時鐘布線緩沖器（BUFH）

有兩種類型的時鐘網(wǎng)絡(luò)：

為FPGA內(nèi)部邏輯資源提供低抖動時鐘資源的全局時鐘網(wǎng)絡(luò)

為SelectIIO邏輯資源提供高性能低抖動時鐘資源的IO局部時鐘網(wǎng)絡(luò)

BUFGMUX能夠在兩個全局時鐘資源之間進行復用，也可以當做普通的BUFG時鐘緩沖使用，這個時鐘緩沖只能夠直接驅(qū)動全局時鐘布線資源，只能夠驅(qū)動時鐘輸入；當然，F(xiàn)PGA內(nèi)部邏輯觸發(fā)器的時鐘輸入也可以來自那些普通的布線資源，不過那些普通的布線資源會具有較大的時鐘抖動。

BUFPLL和BUFIO2用來驅(qū)動IO局部時鐘網(wǎng)絡(luò)的時鐘資源，這一特性限定了它們的使用目的，他們只能用于ISERDES或OSERDES這資源的輸入時鐘資源；

BUFIO2能夠驅(qū)動SDR和DDR的ISERDES2和OSERDES2的時鐘，BUFIO2能夠把GCLK或GTP_DUAL Tile的輸入時鐘布線到BUFG、DCM、PLL時鐘輸入。BUFIO2_2CLK能夠用來代替BUFIO2s使用在DDR的ISERDES2和OSERDES2的設(shè)計時鐘。

類似地，BUFPLL可以驅(qū)動SDR時鐘的IO時鐘網(wǎng)絡(luò)，BUFPLL將PLL的CLKOUT0或CLKOUT1和IO局部時鐘網(wǎng)絡(luò)連接起來。

BUFH通過提供邏輯資源與全局時鐘布線水平區(qū)域的連接，使得芯片總體的低抖動時鐘資源更為豐富。

1.1. 全局時鐘結(jié)構(gòu)

圖 1.1全局時鐘結(jié)構(gòu)

Spartan-6 FPGA的全局時鐘網(wǎng)絡(luò)由16個位于器件中心位置的BUFGMUX驅(qū)動，時鐘的輸入可以來自FPGA的上、下、左、右的bank，也可以來自PLL或DCM；16個BUFGMUX驅(qū)動vertical spine并經(jīng)vertical spine 往南北方向傳播，根據(jù)這條線路，時鐘水平延伸至HCLK時鐘列并經(jīng)HCLK時鐘列提供了訪問局部邏輯原語的路徑；每一個HCLK列左右兩邊各有16個水平時鐘緩沖BUFH驅(qū)動左右邏輯資源。

圖 1.2BUFH時鐘布線路徑

在Spartan-6 FPGA器件上，有32個GCLK輸入，但是只有16個全局時鐘緩沖，也就是說每一個全局時鐘緩沖只能被2個GCLK中的一個驅(qū)動，在兩個GCLK（假設(shè)為GCLK_A和GCLK_B共享BUFGMX_C）都需要使用的情況下，為了為用戶提供更多的靈活性，可以讓GCLK_A引腳布線到BUFGMUX_C，而GCLK_B使用BUFIO2間接地布線到另一個BUFGMUX_D。但是經(jīng)過BUFIO2布線的時鐘會出現(xiàn)延時。

表格 1.1 Bank0和Bank1共享全局時鐘資源不完全統(tǒng)計情況表

圖 1.3Bank0和Bank1的BUFGMUX的連接情況

圖 1.4Bank2和Bank3的BUFGMUX的連接情況

對于使用GTP Transceiver的設(shè)計來說，每一個GTP參考時鐘是和一個BUFIO2關(guān)聯(lián)在一起的，這可能影響B(tài)ank0和Bank2上的全局時鐘引腳的使用；對SDR接口來說，GCLK的引腳輸入與的沖突如表格 1.2所示，對DDR接口來說，GTP需要兩個BUFIO2，因為DDR的需要將時鐘反轉(zhuǎn)，DDR接口對GCLK引腳輸入的沖突如表格 1.3所示。

表格 1.2SDR接口使用中BUFIO2的輸入沖突

表格 1.3DDR接口使用中BUFIO2的輸入沖突

1.2. IO時鐘結(jié)構(gòu)

1.5IO時鐘結(jié)構(gòu)

所有的SelectIOn的邏輯資源（輸入寄存器、輸出寄存器、IDDR2、ODDR2、ISERDES2、OSERDES2）必須被來自BUFIO2的時鐘驅(qū)動；每個BUFIO2時鐘域有4個高速I時鐘，由4個專用BUFIO2 緩沖驅(qū)動；Spartan6 FPGA有4個BUFIO2時鐘域共32BUFIO2.

1.6BUFIO2時鐘域

2. 時鐘輸入

時鐘輸入引腳接受外部時鐘信號并且直接將其連接至BUFGMUX或者BUFIO2原語。當然，時鐘引腳也可以用作普通IO。BUFIO2除了能將時鐘輸入到IO時鐘網(wǎng)絡(luò)，BUFIO2也提供了專用的接往PLL/DCM或BUFG的時鐘路線

2.1經(jīng)BUFIO2布線的專用時鐘輸入

對Spartan-6 FPGA而言，專用的時鐘輸入引腳位于芯片邊沿的中心位置，下圖例舉了4Bank的Spartan-6 FPGA的時鐘引腳布局。

2.2四Bank Spartan-6 FPGA 時鐘引腳布局

3. 時鐘管理技術(shù)

Spartan-6 FPGA的CMT（時鐘管理單元）提供了非常靈活、高性能的時鐘；Spartan-6 FPGA的CMT模塊位于豎直的全局時鐘樹的中間列位置，每個CMT包含2個DCM、1個PLL。

3.1Spartan-6 FPGA CMT位置圖

3.2CMT結(jié)構(gòu)框圖

3.1. DCM的功能

DCM：Digital Clock Management，數(shù)字時鐘管理單元的英文縮寫。DCM擁有先進的時鐘能力可將時鐘直接導入全局時鐘分布網(wǎng)絡(luò)，DCM可以解決各種各樣的時鐘問題，尤其是在高性能、高頻率領(lǐng)域。

消除了時鐘抖動，提升了整個系統(tǒng)的性能

調(diào)節(jié)一個時鐘信號的相位

對輸入時鐘進行倍頻或分頻，也能夠通過動態(tài)或靜態(tài)的提供乘除因子產(chǎn)生新的時鐘頻率。

使時鐘信號更健康，占空比穩(wěn)定在50%

鏡像、轉(zhuǎn)發(fā)、重緩沖一個時鐘信號，對輸入時鐘信號進行去抖斜或轉(zhuǎn)換成差分IO電平。

時鐘輸入抖動過濾

擴頻時鐘產(chǎn)生

振蕩器工作模式

3.3DCM結(jié)構(gòu)框圖

3.2. PLL的功能

PLL：Phase-Locked Loop，鎖相環(huán)的英文縮寫。Spartan-6 FPGA器件包含6個CMT Tile。PLL的主要目的是作為外部時鐘或內(nèi)部時鐘的抖動過濾器或頻率合成器。

3.4PLL結(jié)構(gòu)框圖