一文詳解Xilin的FPGA時鐘結(jié)構(gòu)

?xilinx 的 FPGA 時鐘結(jié)構(gòu)，7 系列 FPGA 的時鐘結(jié)構(gòu)和前面幾個系列的時鐘結(jié)構(gòu)有了很大的區(qū)別，7系列的時鐘結(jié)構(gòu)如下圖所示。

Clock Region：FPGA 內(nèi)部分成了很多個時鐘區(qū)域。

Horizontal Center：FPGA被 Horizontal Center 分成上下兩個部分，每個部分包含16個 BUFG 。

Clock Backbone：全局時鐘線的主干道，將 FPGA 分成了左右兩部分，所有的全局時鐘布線均要從此經(jīng)過。

HROW：水平時鐘線，從水平方向貫穿每個時鐘區(qū)域的中心區(qū)域，將時鐘區(qū)域分成上下完全一致的兩部分。全局時鐘線進入每個時鐘區(qū)域的邏輯資源時，必須經(jīng)過水平時鐘線。

I/O Column：外部信號/時鐘輸入管腳。

CMT Backbone：對于相鄰時鐘區(qū)域的時鐘布線，可以不使用珍貴的全局時鐘網(wǎng)絡(luò)，而使用每個時鐘區(qū)域都包含的 CMT Backbone 通道。

CMT Column：每個時鐘區(qū)域都包含一個CMT，一個CMT由一個MMCM和一個PLL組成。

GT Column：內(nèi)含高速串行收發(fā)器。

總結(jié)來說，F(xiàn)PGA 實際上就是被分成很多個大小一樣時鐘區(qū)域，每個時鐘區(qū)域既可單獨工作又可通過全局時鐘 Clock BackBone 統(tǒng)一工作，同時水平相鄰的時鐘區(qū)域又可通過 HROW 來統(tǒng)一工作，上下相鄰的時鐘區(qū)域又可通過 CMT Backbone 統(tǒng)一工作。

Xilinx 7系列時鐘區(qū)域

BUFG 即為全局時鐘緩沖器，從圖上看到，其輸出時鐘通過 Clock Backbone 可以到達(dá)任意一個時鐘區(qū)域，而且 BUFG 通過 HROW 到達(dá)時鐘區(qū)域內(nèi)部的每個邏輯單元。

BUFH 即為水平時鐘緩沖器，它相當(dāng)于一個功能受限的 BUFG ，其輸出時鐘只能通過 HROW 在左右相鄰的時鐘區(qū)域內(nèi)工作。

BUFIO 即為 IO 時鐘緩沖器，其輸出時鐘只能作用在一個時鐘區(qū)域的 IO 寄存器處，無法在 FPGA 內(nèi)部邏輯使用。

BUFR 即為區(qū)域時鐘緩沖器，其輸出只能作用在一個時鐘區(qū)域，相當(dāng)于 BUFH 的 mini 版。

BUFMR 即為多區(qū)域時鐘緩沖器，其輸出作用在本時鐘區(qū)域，還可以通過 CMT Backbone 作用在上下相鄰兩個時鐘區(qū)域。

MMCM、PLL 即時鐘管理模塊，用來消除時鐘的延遲、抖動以及產(chǎn)生各種不同頻率的時鐘。

CC 即為外部時鐘輸入管腳，其管腳在內(nèi)部可以連接到 BUFG、BUFR、BUFIO、BUFH、MMCM、PLL 等，看具體的應(yīng)用具體連接。下圖所示為更為細(xì)致的 CC 管腳連接圖。一個時鐘區(qū)域有 4 對 CC 管腳，其中 2 對 SRCC ，2 對 MRCC 。SRCC 作為區(qū)域時鐘使用時，只能連接本時鐘區(qū)域的 BUFR 和 BUFIO 。而 MRCC 則還可以通過BUFMR作用在上下相鄰的時鐘區(qū)域

Xilinx 7系列時鐘詳細(xì)描述

xilinx 7 系列 FPGA 里面，一個 CMT 包含一個 PLL 和一個 MMCM。Ultra 系列 FPGA 里面包含兩個 PLL 和 一個 MMCM 。所以本文以 7 系列介紹0。

2.芯片上位置

BUFG、BUFR、BUFH、BUFIO 在芯片上所處位置如下圖所示

將BUFR、BUFIO、BUFMR 放大如下圖所示

3.驅(qū)動能力對比

結(jié)合 BUF 在芯片上的位置，以及下圖不難理解BUFG、BUFH、BUFR、BUFIO的驅(qū)動能力強弱。

物理管腳 IO

SRCC:外部差分時鐘或者單端時鐘驅(qū)動，只能作用于本區(qū)域時鐘：4個BUFIO、4個BUFR、本時鐘區(qū)域的CMT以及上下相鄰時鐘區(qū)域的CMT、16個BUFG、本時鐘區(qū)域以及水平相鄰時鐘區(qū)域的BUFH。

MRCC：外部差分時鐘或者單端時鐘驅(qū)動，只能作用于本區(qū)域時鐘：4個BUFIO、4個BUFR、2個BUFMR、本時鐘區(qū)域的CMT以及上下相鄰時鐘區(qū)域的CMT、16個BUFG、本時鐘區(qū)域以及水平相鄰時鐘區(qū)域的BUFH。

FPGA 芯片內(nèi)部

BUFIO：在相同的時鐘區(qū)域內(nèi)，其可以被 MRCC、SRCC、MMCM 的 CLKOUT0~3、CLKFBOUT 驅(qū)動，還可以被本時鐘區(qū)域以及上下相鄰區(qū)域的 BUFMR 驅(qū)動;其只能驅(qū)動本時鐘區(qū)域內(nèi)的 ILOGIC、OLOGIC 。

BUFR：在相同時鐘區(qū)域內(nèi)，其可以被MRCC、SRCC、MMCM的CLKOUT0~3、CLKFBOUT驅(qū)動，還可以被本時鐘區(qū)域以及上下相鄰區(qū)域的BUFMR驅(qū)動;其能驅(qū)動本時鐘區(qū)域內(nèi)的CMT、本時鐘區(qū)域內(nèi)所有邏輯單元、以及16個BUFG(不推薦)。

BUFMR：其只能被本時鐘區(qū)域的MRCC以及某些GT時鐘驅(qū)動;其能驅(qū)動本時鐘區(qū)域以及上下相鄰區(qū)域的BUFIO、BUFR。

BUFG：其能被每個時鐘區(qū)域內(nèi)的SRCC、MRCC、CMT、GT、BUFR(不推薦)、其他BUFG;其可以驅(qū)動CMT、GT時鐘、其他BUFG、FPGA內(nèi)任何邏輯單元、BUFH。

BUFH：其能被本時鐘區(qū)域以及左右相鄰時鐘區(qū)域內(nèi)的SRCC、MRCC、CMT、BUFG、GT時鐘驅(qū)動;其能驅(qū)動本時鐘區(qū)域的CMT、GT時鐘、以及本時鐘區(qū)域內(nèi)的所有邏輯單元。

GT時鐘之RXUSERCLK、TXUSERCLK：其能被任何BUFG、以及本時鐘區(qū)域內(nèi)的BUFH驅(qū)動;其只能驅(qū)動專用的串行收發(fā)器模塊。

GT時鐘之RXOUTCLK、TXOUTCLK：其被專用的串行收發(fā)器模塊驅(qū)動;其能驅(qū)動BUFG、相同時鐘區(qū)域內(nèi)的CMT、BUFMR、BUFH以及相鄰時鐘區(qū)域內(nèi)的BUFH。

MGTREFCLK：其被外部MGT時鐘源驅(qū)動;其能驅(qū)動BUFG、相同時鐘區(qū)域內(nèi)的CMT、BUFMR、BUFH以及相鄰時鐘區(qū)域內(nèi)的BUFH。

CMT(PLL&MMCM)：其能被BUFG、SRCC(本時鐘區(qū)域以及上下相鄰時鐘區(qū)域)、MRCC(本時鐘區(qū)域以及上下相鄰時鐘區(qū)域)、GT(本時鐘區(qū)域)、BUFR(本時鐘區(qū)域或者上下相鄰時鐘區(qū)域加上BUFMR)、BUFMR、MMCM/PLL.CLKOUT0~3驅(qū)動;其能驅(qū)動BUFG、相同時鐘區(qū)域內(nèi)的BUFIO、BUFR、BUFH以及水平相鄰的時鐘區(qū)域的BUFH、MMCM/PLL。

原文標(biāo)題：FPGA學(xué)習(xí)-Xilinx 7系列時鐘結(jié)構(gòu)

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審核編輯：湯梓紅