全局時鐘資源和網(wǎng)絡(luò)的路徑和組件組成

引言：本文我們介紹一下全局時鐘資源。全局時鐘是一個專用的互連網(wǎng)絡(luò)，專門設(shè)計用于到達FPGA中各種資源的所有時鐘輸入。這些網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計成具有低偏移和低占空比失真、低功耗和改進的抖動容限。它們也被設(shè)計成支持非常高頻率的信號。了解全局時鐘的信號路徑可以擴展對各種全局時鐘資源的理解。全局時鐘資源和網(wǎng)絡(luò)由以下路徑和組件組成：

時鐘樹和網(wǎng)絡(luò)：GCLK

時鐘區(qū)域

全局時鐘緩沖器

1. 時鐘樹和網(wǎng)絡(luò)：GCLK

7系列FPGA時鐘樹設(shè)計用于低偏差和低功耗操作，任何未使用時鐘的分支都會被斷開。時鐘樹還可用于驅(qū)動邏輯資源，如復(fù)位或時鐘啟用，這主要用于高扇出/負載網(wǎng)絡(luò)。在7系列FPGA結(jié)構(gòu)中，全局時鐘線的引腳訪問不限于邏輯資源時鐘引腳。全局時鐘線可以驅(qū)動CLB中除CLK引腳以外的引腳（例如：控制引腳SR和CE）。需要非常快速的信號連接和大負載/扇出的應(yīng)用程序可以從該架構(gòu)中獲益。

2. 時鐘域

7系列器件通過使用時鐘區(qū)域改善時鐘分布。每個時鐘區(qū)域最多可以有12個全局時鐘域。這12個全局時鐘可以由單片器件或SLR中的32個全局時鐘緩沖器的任意組合驅(qū)動。時鐘區(qū)域的尺寸固定為50個CLB高（50個IOB），跨越die的左側(cè)或右側(cè)。在7系列器件中，時鐘主干線將器件分成左側(cè)或右側(cè)。通過固定時鐘區(qū)域的尺寸，較大的7系列器件可以有更多的時鐘區(qū)域。7系列FPGA提供1到24個時鐘區(qū)域。

3. 全局時鐘緩沖器

在7系列器件中有多達32個全局時鐘緩沖器。CCIO輸入可以直接連接到器件同一半的任何全局時鐘緩沖器。每個差分時鐘管腳對可以連接到PCB上的差分時鐘或單端時鐘。當(dāng)用作差分時鐘輸入時，直接連接來自差分輸入管腳對的P側(cè)。當(dāng)用作單端時鐘輸入時，必須使用管腳對的P側(cè)，因為直接連接只存在于該管腳上。有關(guān)管腳命名約定，請參閱UG475:7系列FPGA封裝和引腳輸出規(guī)范。如果單端時鐘連接到差分管腳對的P側(cè)，則N端不能用作另一個單端時鐘管腳。但是，它可以用作用戶I/O。器件上半部分的CMT只能驅(qū)動器件上半部分的BUFG，下半部分的CMT只能驅(qū)動下半部分的BUFG。類似地，只有器件的同一半中的BUFG可以用作對器件同一半中的CMT反饋。當(dāng)CMT列擴展到同時包含GT和I/O列的區(qū)域時，千兆收發(fā)器（GTs）只能直接連接到MMCMs/PLL。Virtex-7T和Virtex-7XT器件有這些完整的列。Spartan-7、Artix-7、Kintex-7和Zynq-7000器件中的GT和CMT只能使用BUFHs（首選）或BUFGs進行連接。全局時鐘緩沖器允許各種時鐘/信號源訪問全局時鐘樹和網(wǎng)絡(luò)。輸入到全局時鐘緩沖器的可能來源包括：

時鐘輸入

在器件同一半?yún)^(qū)域的時鐘管理塊（CMT）驅(qū)動BUFG

相鄰全局時鐘緩沖器輸出（BUFGs）

通用互連

區(qū)域時鐘緩沖器（BUFRs）

收發(fā)器

7系列FPGA時鐘輸入可以通過時鐘主干列中的垂直時鐘網(wǎng)絡(luò)間接地驅(qū)動全局時鐘緩沖器。32個BUFG被分成兩組，每組16個BUFGs，分別位于器件的頂部和底部。直接連接到BUFGs的任何資源（例如，GTX收發(fā)器）都有一個頂部/底部限制。例如，頂部的每個MMCM只能驅(qū)動設(shè)備頂部的16個BUFGs。同樣，底部的MMCMs驅(qū)動底部的16個BUFGs。

所有全局時鐘緩沖器可以驅(qū)動7系列設(shè)備中的所有時鐘區(qū)域。然而，在一個時鐘區(qū)域內(nèi)只能驅(qū)動12個不同的時鐘。時鐘緩沖器被設(shè)計成具有兩個時鐘輸入的同步或異步glitch-free2:1多路復(fù)用器。BUFG級聯(lián)有一個專用路徑（路由資源），允許兩個以上的時鐘輸入選擇。7系列FPGA控制引腳提供廣泛的功能和強大的輸入切換。在7系列FPGA時鐘結(jié)構(gòu)中，BUFGCTRL多路復(fù)用器和所有派生器可以級聯(lián)到器件上半部分和下半部分16個BUFGMUX組內(nèi)的相鄰時鐘緩沖器，有效地在上半部分創(chuàng)建一個16個BUFGMUX（BUFGCTRL多路復(fù)用器）環(huán)，在下半部分形成另一個16個環(huán)。圖1顯示了級聯(lián)BUFG的簡化圖。

圖1、級聯(lián)BUFGs以下小節(jié)詳細介紹了7系列FPGA時鐘緩沖器的各種配置、原語和使用模型。

3.1 全局時鐘緩沖器原句

表1中的原句是全局時鐘緩沖器的不同配置。ISE或Vivado設(shè)計工具管理所有這些原語的配置，約束指南描述了LOC約束。

表1、全局時鐘緩沖器原句

BUFGCTRL

BUFGCTRL原句框圖如圖2所示，它可以實現(xiàn)兩路異步時鐘切換。所有其他全局緩沖語句都可以由BUFGCTRL的某種配置得到。BUFGCTRL有四個選擇端口：S0、S1、CE0和CE1，另外還有兩個附件的控制線，IGNORE0和IGNORE1。這六個信號用于控制輸入I0和I1。

圖2、 BFUGCTRL原句BUFGCTRL用于在兩路時鐘輸入之間切換，而不會產(chǎn)生毛刺。當(dāng)當(dāng)前選擇的時鐘在S0和S1改變后從高電平轉(zhuǎn)換到低電平時，輸出保持在低電平，直到另一個（待選擇的）時鐘從高電平轉(zhuǎn)換到低電平。然后新的時鐘開始驅(qū)動輸出，BUFGCTRL的默認配置是下降沿敏感型，在輸入切換之前保持在低位。BUFGCTRL還可以對上升沿敏感，并在輸入切換之前使用INIT_OUT屬性保持在高極性。在某些應(yīng)用中，上述條件是不可取的。斷言IGNORE引腳將繞過BUFGCTRL來檢測在兩個時鐘輸入之間切換的條件。換句話說，斷言IGNORE會導(dǎo)致MUX在選擇管腳更改時切換輸入。當(dāng)選擇引腳改變時，IGNORE0使輸出立即從I0輸入切換，而當(dāng)選擇引腳改變時，IGNORE1使輸出立即從I1輸入切換。選擇一個輸入時鐘需要一個“選擇”對（S0和CE0，或S1和CE1）被斷言為高。如果S或CE沒有被斷言為高，則所需的輸入將不會被激活選定。在正常運行時，S和CE對（所有四條選擇線）都不應(yīng)同時斷言高。通常，“選擇”對中只有一個管腳用作選擇線，而另一個管腳系在高處。真值表如表2所示。

表2、時鐘資源真值表雖然S和CE都用于選擇所需的輸出，但建議只有S用于無故障切換。這是因為當(dāng)使用CE切換時鐘時，時鐘選擇的變化可能比使用S快。CE引腳的建立/保持時間會導(dǎo)致時鐘輸出出現(xiàn)毛刺。另一方面，使用S引腳可以在兩個時鐘輸入之間切換，而不考慮設(shè)置/保持時間。因此，使用S來切換時鐘不會導(dǎo)致毛刺。請參見BUFGMUX_ CTRL。圖3中的時序圖說明了使用BUFGCTRL原語的各種時鐘切換條件。

圖3、BUFGCTRL原語的時序圖在事件1之前，輸出O使用輸入I0；BUFGCTRL的其他功能包括：

I0和I1輸入的預(yù)選在配置之后但在設(shè)備運行之前進行。

配置后的初始輸出可選擇為高或低。

僅使用CE0和CE1的時鐘選擇（S0和S1綁定高）可以更改時鐘選擇，而無需等待先前選擇的時鐘從高到低的轉(zhuǎn)換。

表3概括了BUFGCTRL原句的屬性。

表3 BUFGCTRL屬性

BUFG

BUFG是一個時鐘緩沖器，具有一個時鐘輸入和一個時鐘輸出。這個原語基于BUFGCTRL，有些管腳連接到邏輯高或低。圖2-5說明了BUFG和BUFGCTRL的關(guān)系?？梢允謩臃胖眉s束的位置。

圖4、BUFG和BUFGCTRLBUFG時序圖如圖5所示。圖中顯示了BUFG引入的時鐘延遲TBCCKO_O

圖5、 BUFG時序圖

BUFGCE和BUFGCE_1

與BUFG不同，BUFGCE是一個具有一個時鐘輸入、一個時鐘輸出和一條時鐘使能線的時鐘緩沖器。這個原語基于BUFGCTRL，有些管腳連接到邏輯高或低。圖6說明了BUFGCE和BUFGCTRL的關(guān)系。LOC約束可用于手動放置BUFGCE和BUFGCE_ 1位置。

圖6、 BUFGCE和BUFGCTRLBUFGCE的切換條件類似于BUFGCTRL。如果CE輸入在進入上升時鐘邊緣之前為低電平，則隨后的時鐘脈沖不會通過時鐘緩沖器，并且輸出保持低電平。在進入時鐘高脈沖期間，CE的任何電平變化在時鐘轉(zhuǎn)換為低之前都沒有影響。當(dāng)時鐘被禁用時，輸出保持低。但是，當(dāng)時鐘被禁用時，它將完成時鐘高脈沖。由于時鐘使能線路使用BUFGCTRL的CE引腳，因此選擇信號必須滿足建立時間要求。違反此建立時間可能會導(dǎo)致毛刺。圖7說明了BUFGCE的時序圖。

圖7、 BUFGCE的時序圖BUFGCE_1與BUFGCE類似，只是其開關(guān)條件不同。如果CE輸入在進入下降時鐘邊緣之前是低的，則隨后的時鐘脈沖不通過時鐘緩沖器，并且輸出保持高。在進入時鐘低脈沖期間，CE的任何電平變化在時鐘變高之前都沒有影響。當(dāng)時鐘被禁用時，輸出保持高電平。但是，當(dāng)時鐘被禁用時，它將完成時鐘低脈沖。

圖8、BUFGCE_1的時序圖

BUFGMUX和BUFGMUX_1

BUFGMUX是一個具有兩個時鐘輸入、一個時鐘輸出和一條選擇線的時鐘緩沖器。這個原語基于BUFGCTRL，有些管腳連接到邏輯高位或高位低。圖9說明了BUFGMUX和BUFGCTRL的關(guān)系。LOC約束可用于手動放置BUFGMUX和BUFGCTRL位置。

圖9、 BUFGMUX和BUFGCTRL由于BUFGMUX使用CE管腳作為選擇管腳，因此在使用選擇管腳時，必須滿足建立時間要求。違反此建立時間可能會導(dǎo)致毛刺。BUFGMUX的開關(guān)條件與上的CE引腳相同BUFGCTRL.圖圖10顯示了BUFGMUX的時序圖。

圖10、BUFGMUX時序圖

BUFGMUX_1對上升沿敏感，在輸入開關(guān)之前保持在高電平。圖11顯示了BUFGMUX_ 1的時序圖。LOC約束可用于手動放置BUFGMUX和BUFGMUX_1位置。

圖10、BUFGMUX_1時序圖

表3、 BUFGMUX屬性

BUFGMUX_CTRL

BUFGMUX_CTRL替換了BUFGMUX_VIRTEX4遺留版本基元.BUFGMUX_CTRL是一個具有兩個時鐘輸入、一個時鐘輸出和一條選擇線的時鐘緩沖區(qū)。這個原語基于BUFGCTRL，有些管腳連接到邏輯高或低。圖12顯示了BUFGMUX_CTRL和BUFGCTRL的關(guān)系。

圖12、BUFGMUX_CTRL和BUFGCTRLCTRL和MUX選擇管腳。S可以隨時切換而不會引起故障。S上的建立/保持時間用于確定在切換到新時鐘之前，輸出是否將通過先前選擇的時鐘的額外脈沖。如果S如圖2-14所示在設(shè)置時間TBCCCK_S之前和I0從高變低之前發(fā)生變化，則輸出將不會傳遞額外的I0脈沖。如果S在S的保持時間后發(fā)生變化，則輸出將傳遞一個額外的脈沖。如果S違反建立/保持要求，輸出可能會傳遞額外的脈沖，但不會出現(xiàn)故障。在任何情況下，輸出將在慢時鐘的三個時鐘周期內(nèi)更改為新時鐘。S0和S1的建立/保持要求與時鐘下降沿有關(guān)，而不是與CE0和CE1的上升沿有關(guān)。

BUFGMUX_CTRL的切換條件與BUFGCTRL.圖13顯示了BUFGMUX_CTRL的時序圖。