Spartan6系列之Spartan6系列之芯片时钟资源深入详解

1.   时钟资源概述

　　时钟设施提供了一系列的低电容、低抖动的互联线，这些互联线非常适合于传输高频信号、最大量减小时钟抖动。这些连线资源可以和DCM、PLL等实现连接。

每一种Spartan-6芯片提供16个高速、低抖动的全局时钟资源用于优化性能；这些资源可以背Xilinx工具自动地使用，即使时钟频率相对较低，使用时钟资源来消除潜在的时序冒险仍然是十分重要的，

每一个Spartan-6 FPGA提供40个超高速、低抖动的IO局部时钟资源（32个BUFIO2S和8个BUFPLL）这些IO局部时钟资源是为IO Serializer和de-serializer电路服务的。

Spartan-6 FPGA的时钟资源主要由四种类型的连接器构成：

• 全局时钟输入引脚（GCLK）
• 全局时钟多路复用器（BUFG、BUFGMUX）
• IO时钟缓冲器（BUFIO2、BUFIO2_2CLK、BUFPLL）
• 水平方向时钟布线缓冲器（BUFH）

有两种类型的时钟网络：

• 为FPGA内部逻辑资源提供低抖动时钟资源的全局时钟网络
• 为SelectIIO逻辑资源提供高性能低抖动时钟资源的IO局部时钟网络

　　BUFGMUX能够在两个全局时钟资源之间进行复用，也可以当做普通的BUFG时钟缓冲使用，这个时钟缓冲只能够直接驱动全局时钟布线资源，只能够驱动时钟输入；当然，FPGA内部逻辑触发器的时钟输入也可以来自那些普通的布线资源，不过那些普通的布线资源会具有较大的时钟抖动。

　　BUFPLL和BUFIO2用来驱动IO局部时钟网络的时钟资源，这一特性限定了它们的使用目的，他们只能用于ISERDES或OSERDES这资源的输入时钟资源；

　　BUFIO2能够驱动SDR和DDR的ISERDES2和OSERDES2的时钟，BUFIO2能够把GCLK或GTP_DUAL Tile的输入时钟布线到BUFG、DCM、PLL时钟输入。BUFIO2_2CLK能够用来代替BUFIO2s使用在DDR的ISERDES2和OSERDES2的设计时钟。

　　类似地，BUFPLL可以驱动SDR时钟的IO时钟网络，BUFPLL将PLL的CLKOUT0或CLKOUT1和IO局部时钟网络连接起来。

　　BUFH通过提供逻辑资源与全局时钟布线水平区域的连接，使得芯片总体的低抖动时钟资源更为丰富。

1.1.  全局时钟结构

 

图 1‑1全局时钟结构

　　Spartan-6 FPGA的全局时钟网络由16个位于器件中心位置的BUFGMUX驱动，时钟的输入可以来自FPGA的上、下、左、右的bank，也可以来自PLL或DCM；16个BUFGMUX驱动vertical spine并经vertical spine 往南北方向传播，根据这条线路，时钟水平延伸至HCLK时钟列并经HCLK时钟列提供了访问局部逻辑原语的路径；每一个HCLK列左右两边各有16个水平时钟缓冲BUFH驱动左右逻辑资源。

 

图 1‑2BUFH时钟布线路径

　　在Spartan-6 FPGA器件上，有32个GCLK输入，但是只有16个全局时钟缓冲，也就是说每一个全局时钟缓冲只能被2个GCLK中的一个驱动，在两个GCLK（假设为GCLK_A和GCLK_B共享BUFGMX_C）都需要使用的情况下，为了为用户提供更多的灵活性，可以让GCLK_A引脚布线到BUFGMUX_C，而GCLK_B使用BUFIO2间接地布线到另一个BUFGMUX_D。但是经过BUFIO2布线的时钟会出现延时。

表格 1‑1 Bank0和Bank1共享全局时钟资源不完全统计情况表

 

 

图 1‑3Bank0和Bank1的BUFGMUX的连接情况

 

图 1‑4Bank2和Bank3的BUFGMUX的连接情况

　　对于使用GTP Transceiver的设计来说，每一个GTP参考时钟是和一个BUFIO2关联在一起的，这可能影响Bank0和Bank2上的全局时钟引脚的使用；对SDR接口来说，GCLK的引脚输入与的冲突如表格 1‑2所示，对DDR接口来说，GTP需要两个BUFIO2，因为DDR的需要将时钟反转，DDR接口对GCLK引脚输入的冲突如表格 1‑3所示。

表格 1‑2SDR接口使用中BUFIO2的输入冲突

 

表格 1‑3DDR接口使用中BUFIO2的输入冲突

 

 

1.2.  IO时钟结构

 

1‑5IO时钟结构

　　所有的SelectIOn的逻辑资源（输入寄存器、输出寄存器、IDDR2、ODDR2、ISERDES2、OSERDES2）必须被来自BUFIO2的时钟驱动；每个BUFIO2时钟域有4个高速I时钟，由4个专用BUFIO2 缓冲驱动；Spartan6 FPGA有4个BUFIO2时钟域共32BUFIO2.

 

1‑6BUFIO2时钟域

 

 

2.   时钟输入

　　时钟输入引脚接受外部时钟信号并且直接将其连接至BUFGMUX或者BUFIO2原语。当然，时钟引脚也可以用作普通IO。BUFIO2除了能将时钟输入到IO时钟网络，BUFIO2也提供了专用的接往PLL/DCM或BUFG的时钟路线

 

2‑1经BUFIO2布线的专用时钟输入

　　对Spartan-6 FPGA而言，专用的时钟输入引脚位于芯片边沿的中心位置，下图例举了4Bank的Spartan-6 FPGA的时钟引脚布局。

 

2‑2四Bank Spartan-6 FPGA 时钟引脚布局

 

 

 

3.   时钟管理技术

　　Spartan-6 FPGA的CMT（时钟管理单元）提供了非常灵活、高性能的时钟；Spartan-6 FPGA的CMT模块位于竖直的全局时钟树的中间列位置，每个CMT包含2个DCM、1个PLL。

 

3‑1Spartan-6 FPGA CMT位置图

 

3‑2CMT结构框图

3.1.  DCM的功能

　　DCM：Digital Clock Management，数字时钟管理单元的英文缩写。DCM拥有先进的时钟能力可将时钟直接导入全局时钟分布网络，DCM可以解决各种各样的时钟问题，尤其是在高性能、高频率领域。

• 消除了时钟抖动，提升了整个系统的性能
• 调节一个时钟信号的相位
• 对输入时钟进行倍频或分频，也能够通过动态或静态的提供乘除因子产生新的时钟频率。
• 使时钟信号更健康，占空比稳定在50%
• 镜像、转发、重缓冲一个时钟信号，对输入时钟信号进行去抖斜或转换成差分IO电平。
• 时钟输入抖动过滤
• 扩频时钟产生
• 振荡器工作模式

 

3‑3DCM结构框图

3.2.  PLL的功能

　　PLL：Phase-Locked Loop，锁相环的英文缩写。Spartan-6 FPGA器件包含6个CMT Tile。PLL的主要目的是作为外部时钟或内部时钟的抖动过滤器或频率合成器。

 

3‑4PLL结构框图