基于FPGA的數(shù)字集成時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)方案詳解

基于FPGA的數(shù)字集成時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)方案詳解在當(dāng)前的數(shù)字集成電路設(shè)計(jì)中，同步電路占了絕大部分。所謂同步電路，即電路中的所有寄存器由為數(shù)不多的幾個(gè)全局時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，被相同時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)的寄存器共同組成一個(gè)時(shí)鐘域，并可認(rèn)為同時(shí)時(shí)鐘域內(nèi)所有寄存器的時(shí)鐘沿同時(shí)到達(dá)。然而，在實(shí)際電路中，同時(shí)鐘域內(nèi)寄存器時(shí)鐘沿的到達(dá)時(shí)間存在偏差，即時(shí)鐘偏差。通過合理的時(shí)鐘設(shè)計(jì)，可以減少這種時(shí)鐘偏差，使其相對(duì)時(shí)鐘周期可以忽略不計(jì)，從而達(dá)到同步的效果。1ASIC的時(shí)鐘電路在ASIC的電路設(shè)計(jì)中，自動(dòng)布局布線工具使用動(dòng)態(tài)搭建時(shí)鐘緩沖器樹的方法來解決時(shí)鐘偏差問題。其基本思想就是控制時(shí)鐘源與寄存器之間的門延時(shí)與線路延時(shí)。如果同時(shí)鐘域內(nèi)所有寄存器的時(shí)鐘端與時(shí)鐘源之間的路徑，包含大體相同的時(shí)鐘緩沖器個(gè)數(shù)與連線長度，就可以近似地認(rèn)為時(shí)鐘信號(hào)從時(shí)鐘源到各寄存器時(shí)鐘端的延時(shí)是相等的，因此寄存器間的時(shí)鐘偏差可以忽略不計(jì)。ASIC時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)如圖1所示。2FPGA的時(shí)鐘電路隨著FPGA集成度的不斷提升，單片F(xiàn)PGA已經(jīng)可以完成百萬門級(jí)的集成電路設(shè)計(jì)。因此，很多ASIC設(shè)計(jì)可以利用FPGA完成流片前的功能驗(yàn)證。甚至直接使用FPGA進(jìn)行商業(yè)生產(chǎn)。但是，F(xiàn)PGA的特殊結(jié)構(gòu)決定了基于FPGA的設(shè)計(jì)不能直接照搬在ASIC設(shè)計(jì)當(dāng)中的某些經(jīng)驗(yàn)，時(shí)鐘設(shè)計(jì)便是其中較突出的一條。ASIC時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)如圖1所示。由于FPGA的生產(chǎn)工藝，在出廠之前，F(xiàn)PGA內(nèi)部元件之間的連線已經(jīng)完全固定。同時(shí)，F(xiàn)PGA具有連線延時(shí)相對(duì)門延時(shí)較大的特點(diǎn)，造成FPGA并不能通過動(dòng)態(tài)搭建時(shí)鐘緩沖器樹的方法解決時(shí)鐘偏差問題。實(shí)際上，時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)已經(jīng)被預(yù)先固化在芯片當(dāng)中。針對(duì)Xilinx公司的VirtexⅡ系列的FPGA。其時(shí)鐘樹結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系列FPGA直接利用單獨(dú)一層銅布線層搭建時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。所有的時(shí)鐘信號(hào)，只能通過處于芯片縱向中軸線上下兩端的16個(gè)BUFGMUX進(jìn)入時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。所有BUFGMUX輸出端一直延伸到芯片的中心，連接到銅布線層處于芯片中央縱向分布寬度為8的時(shí)鐘總線。縱向時(shí)鐘總線再連接到橫向的8條寬度為8的時(shí)鐘總線，進(jìn)而延伸到每一個(gè)CLB（ConfigurableLogicBlock，可編程邏輯塊）的GRM（GeneralRouteMatrix，通用布線矩陣陣列）上。也就是說，在VirtexⅡ結(jié)構(gòu)的FPGA當(dāng)中，最多可以存在16個(gè)時(shí)鐘域，然而同時(shí)只能存在最多8個(gè)全局時(shí)鐘（上下兩個(gè)對(duì)應(yīng)的BUFGMUX共用一條時(shí)鐘總線）。由于每個(gè)寄存器的時(shí)鐘端都通過橫向和縱向的時(shí)鐘總線連接到位于芯片中央的時(shí)鐘源，而時(shí)鐘源通過相同路徑長度的連線和BUFGMUX連接，因此可以認(rèn)為從同一BUFGMUX出發(fā)的時(shí)鐘信號(hào)到芯片內(nèi)所有寄存器的延時(shí)相同，從而沒有時(shí)鐘偏差，經(jīng)過實(shí)際工程驗(yàn)證，同BUFGMUX構(gòu)成的時(shí)鐘域內(nèi)時(shí)鐘偏差最多不超過0.3ns。3設(shè)計(jì)實(shí)例為了更好的說明FPGA時(shí)鐘電路的使用方法與其特殊的問題，下面將用一個(gè)在VirtexⅡ6000FPGA上實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)實(shí)例具體說明時(shí)鐘電路建立的方法。3.1問題分析圖3顯示了在該設(shè)計(jì)當(dāng)中的4個(gè)時(shí)鐘域。這樣的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)，在ASIC的時(shí)鐘樹設(shè)計(jì)中，并不會(huì)引發(fā)很大的問題。但是在FPGA的設(shè)計(jì)中，如果不加處理，會(huì)引起電路綜合、布局布線的巨大壓力。其主要的問題源于FPGA綜合軟件對(duì)BUFGMUX的自動(dòng)指定，造成門控時(shí)鐘和分頻時(shí)鐘與源時(shí)鐘之間出現(xiàn)較大的時(shí)鐘偏差。一般，綜合軟件可以通過VerilogHDL的“posedge”和“negedge”關(guān)鍵字，或者VHDL當(dāng)中的“event”關(guān)鍵字判斷出時(shí)鐘信號(hào)。然而，綜合工具并沒有判斷門控時(shí)鐘與分頻時(shí)鐘的能力，即就是綜合工具認(rèn)定的時(shí)鐘只能是一根網(wǎng)線，而不能穿越一般的邏輯門。為了讓同時(shí)鐘域的寄存器間沒有時(shí)鐘偏差。綜合工具會(huì)自動(dòng)在時(shí)鐘的源頭為時(shí)鐘信號(hào)指定BUFGMUX，使得時(shí)鐘信號(hào)使用銅布線資源。經(jīng)過綜合工具的自動(dòng)指定，最終會(huì)將圖3當(dāng)中時(shí)鐘結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為圖4中的電路結(jié)構(gòu)。正如第2節(jié)所述，F(xiàn)PGA通過其特定的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，使得時(shí)鐘信號(hào)從BUFGMUX到每個(gè)CLB的時(shí)鐘端沒有時(shí)鐘偏差。但是，此結(jié)構(gòu)的間接后果是為每個(gè)CLB的時(shí)鐘端添加了一個(gè)相同的時(shí)鐘線延時(shí)，即從BUFGMUX通過時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)到達(dá)GRM的時(shí)間，在正常情況下，這個(gè)時(shí)間為6－7ns。正是由于這一點(diǎn)，在綜合工具自動(dòng)指定BUFGMUX之后，為了實(shí)現(xiàn)CLK_2XG這個(gè)門控時(shí)鐘，必須將CLK_2X時(shí)鐘信號(hào)通過與門，再經(jīng)過BUFGMUX重新連接到時(shí)鐘資源。顯而易見，CLK_2XG時(shí)鐘域的時(shí)鐘信號(hào)相對(duì)時(shí)鐘源CLK_IN來說經(jīng)過了兩次BUFGMUX和CLK_2X的時(shí)鐘域產(chǎn)生了至少6ns的時(shí)鐘偏差。同理，CLK_1XG和CLK_1X相應(yīng)與CLK_2X之間存在12ns和6ns的時(shí)鐘偏差。相對(duì)CLK_2X80MHz的時(shí)鐘頻率，一周期為12.5ns，顯然最大12ns的跨時(shí)鐘域的時(shí)鐘偏差是不能忍受的。從圖5的后仿波形當(dāng)中，可以很明顯地看到這個(gè)時(shí)鐘偏差達(dá)到了13.34ns。3.2解決方案3.2.1門控時(shí)鐘實(shí)際上，BUFGMUX并不是簡單的時(shí)鐘緩沖器，他是一個(gè)具有低時(shí)鐘偏差、高驅(qū)動(dòng)能力并帶有選擇端的雙路選擇器。使用不同的原語進(jìn)行實(shí)例化，BUFGMUX可以構(gòu)成時(shí)鐘選擇器、時(shí)鐘門控器或者簡單的時(shí)鐘緩沖器［1］。盡管BUFGMUX就3種使用方式，但如果讓綜合軟件自動(dòng)在合適的位置指定BUFGMUX，由于綜合軟件只能認(rèn)出網(wǎng)線形式的時(shí)鐘信號(hào)，因而只會(huì)使用BUFG的方式使用BUFGMUX，造成了上述的問題。為了去除由于門控時(shí)鐘造成的時(shí)鐘偏差，只能通過手動(dòng)更改代碼，在合適的位置實(shí)例化BUFGMUX。在此例中可以為CLK_2X信號(hào)實(shí)例化BUFG原語，而使用BUFGCE原語替代原來的與門，并直接使用CLK_IN為BUGCE的輸入。這樣CLK_2X和CLK_2XG都只經(jīng)過了一個(gè)BUFGMUX，因此可以近似地認(rèn)為不存在時(shí)鐘偏差。同理CLK_1X和CLK_1XG之間的時(shí)鐘偏差也可以解決。3.2.2分頻時(shí)鐘然而，BUFGMUX的3種使用方式并不能解決分頻寄存器造成的CLK_1X和CLK_2X之間的時(shí)鐘偏差問題。比較簡單的一種方法是使用CLK_IN作為分頻寄存器的輸入，而不對(duì)CLK_2X進(jìn)行分頻。盡管如此，由于分頻寄存器的器件延時(shí)和相應(yīng)的連接線路延時(shí)，CLK_2X和CLK_1X之間仍然存在大約2－3ns的時(shí)鐘偏差，對(duì)于某些跨時(shí)鐘域的關(guān)鍵路徑和時(shí)鐘保持（HoldTime）約束來說，仍然過大。另外，由于CLK_IN被分頻寄存器當(dāng)作時(shí)鐘使用，可能會(huì)造成綜合軟件自動(dòng)給CLK_IN指定BUFG，導(dǎo)致所有時(shí)鐘信號(hào)都需要經(jīng)過兩個(gè)BUFGMUX，產(chǎn)生一個(gè)12ns左右的輸入延時(shí)。針對(duì)這種問題，可以使用FPGA當(dāng)中的另一個(gè)特殊資源——DCM（DigitalClockManager，數(shù)字時(shí)鐘管理單元）。DCM當(dāng)中包含一個(gè)DLL（Delay－Lockedloop，延遲鎖定電路），可以提供對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的二倍頻和分頻功能，并且能夠維持各輸出時(shí)鐘之間的相位關(guān)系，即零時(shí)鐘偏差（更詳細(xì)的說明可查看參考文獻(xiàn)［1，2］。因此，針對(duì)分頻時(shí)鐘，可以直接利用DCM的分頻功能，從而省去分頻寄存器，徹底地解決了CLK_2X和CLK_1X之間的時(shí)鐘偏差。不過更合適的選擇是使用DCM的倍頻功能，這樣只需要為FPGA準(zhǔn)備一個(gè)40MHz的低頻時(shí)鐘輸入，相對(duì)80MHz要更容易實(shí)現(xiàn)。3.2.3最終實(shí)現(xiàn)通過BUFGMUX和DCM的使用，可以將圖4改造為圖6所示的電路結(jié)構(gòu)。改造后，每個(gè)時(shí)鐘域的時(shí)鐘信號(hào)和信號(hào)源CLK_IN之間都只通過一個(gè)DCM和一個(gè)BUFGMUX，他們之間的時(shí)鐘偏差僅為時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)本身的時(shí)鐘偏差和DCM的輸出到各BUFGMUX輸入端之間的線路延時(shí)偏差。如果進(jìn)一步優(yōu)化，通過在布局布線的步驟施加對(duì)BUFGMUX的位置約束，迫使圖5中的4個(gè)BUFGMUX都處于FPGA的上方或者下方的8個(gè)BUFGMUX上，跨時(shí)鐘域的時(shí)鐘偏差在VIRTEXⅡ6000FPGA當(dāng)中可以控制在0.5ns以內(nèi)，基本滿足80MHz的要求。改造后的時(shí)鐘電路的后仿波形如圖7所示，其最大的時(shí)鐘偏差為0.722ns。實(shí)際上，DCM和BUFGMUX從VIRTEXⅡ開始，已經(jīng)成為FPGA的標(biāo)準(zhǔn)元件，可以在SPARTAN－3，VIRTEXⅡ，VIRTEXⅡPRO，VIRTEX－4等器件上直接使用，因此該電路結(jié)構(gòu)也可相應(yīng)