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 DCM使用详解

本文翻译自Using Digital Clock Managers (DCMs) in Spartan-3 FPGAs

 

 

DCM主要功能

1. 分频倍频：DCM可以将输入时钟进行multiply或者divide，从而得到新的输出时钟。
2. 去skew：DCM还可以消除clock的skew，所谓skew就是由于传输引起的同一时钟到达不同地点的延迟差。
3. 相移：DCM还可以实现对输入时钟的相移输出，这个相移一般是时钟周期的一个分数。
4. 全局时钟：DCM和FPGA内部的全局时钟分配网络紧密结合，因此性能优异。
5. 电平转换：通过DCM，可以输出不同电平标准的时钟。

 

DCM的特点与能力（Spartan-3系列为例）

数量：4 DCM / FPGA（也有例外）
-- 应该够用了

数字频率综合器输入（CLKIN）：1-280MHz

延迟锁相环输入（CLKIN）：18-280MHz

时钟输入源（CLKIN）：
? Global buffer input pad
  ? Global buffer output
  ? General-purpose I/O (no deskew)
  ? Internal logic (no deskew)
-- 上面最后两个分别是外部的普通IO口和内部的逻辑，没有deskew，所以时钟质量不会很好。

频率综合器输出（CLKFX、CLKFX180）：是CLKIN的M/D倍，其中
  M=2..32
 D=1..32
-- 这样看来最大能倍频32倍，最小能16分频。

时钟dividor输出（CLKDV）：是CLKIN的下列分频
  1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, or 16
-- 发现没有，最大的分频也是16。不过能支持半分频，比用频率综合器方便。

倍频输出（CLK2X、CLK2X180）：CLKIN的2倍频

时钟conditioning、占空比调整：这个对所有时钟输出都施加，占空比为50%。

1/4周期相移输出（CLK0/90/180/270）：是CLKIN的1/4周期相移输出。

半周期相移输出(CLK0/180、CLK2X/180、CLKFX/180)：相差为180度的成对时钟输出。

相移精度：最高精度为时钟周期的1/256。

时钟输出：9个
  到全局时钟网的时钟输出：最多9个中的4个
  到General purpose互联：最多9个
  到输出脚：最多9个
-- 可见9个时钟输出可以随意链接内部信号或者外部输出，但是进入全局时钟网的路径最多只有4个。

DCM的位置在哪？

我们以Spartan3系列为例。
FPGA看上去就是一个四方形。最边缘是IO pad了。
除去IO pad，内部还是一个四方形。
四个角上各趴着一个DCM。
上边缘和下边缘中间则各趴着一个全局Buffer的MUX。
这样的好处是四个DCM的输出可以直接连接到全局Buffer的入口。
下面是手绘简图

DCM是全局时钟网络可选的一部分

一般，时钟通过一个“全局输入buffer”和“全局时钟buffer” 进入全局时钟网络。如下所示

GCLK --->（ IBUFG ---> BUFG） ---> low skew global clock network

在需要的时候，DCM也成为全局时钟网络的一环。

 

DCM 内部构成一览

 

 

 

1. DLL 延迟锁定环

    说是延迟锁定环，但是我觉得叫做延迟补偿环更加贴切。因为DLL的主要功能是消除输入时钟和输出时钟之间的延迟，使得输入输出在外部看来是透明连接。
    实现这种功能的原理是：DLL通过输出时钟CLK0或者CLK2X观察实际的线路延迟，然后在内部进行补偿。
    一句话，DLL的核心功能是无延迟。
    DLL的输出是CLK0, CLK90, CLK180, CLK270, CLK2X, CLK2X180, 和 CLKDV。

2. DFS 数字频率综合

    DFS的主要功能是利用CLKIN合成新的频率。
合成的参数是：M（multiplier）和 D（divisor）。通过MD的组合实现各种倍频和分频。
    如果不使用DLL，则DFS的合成频率和CLKIN就不具有相位关系，因为没有延迟补偿，相位就不再同步。

3. PS 相位偏移

    注意这个相位偏移不是DLL中输出CLK90/180/270用的。这个PS可以令DCM的所有9个输出信号都进行相位的偏移。偏移的单位是CLKIN的一个分数。
    也可以在运行中进行动态偏移调整，调整的单位是时钟的1/256。
这个功能我们平时不常用。

4. 状态逻辑

    这个部分由 LOCKED 信号和 STATUS[2:0] 构成。LOCKED信号指示输出是否和CLKIN同步（同相）。STATUS则指示DLL和PS的状态。

 

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DCM_BASE

DCM_BASE是基本数字时钟管理模块的缩写，是相位和频率可配置的数字锁相环电路，常用于FPGA系统中复杂的时钟管理。如果需要频率和相位动态重配置，则可以选用DCM_ADV原语；如果需要相位动态偏移，可使用DCM_PS原语。DCM系列原语的RTL结构如图3-8所示。

模块接口信号的说明如表3-8所列。 

 

DCM_BASE组件可以通过Xilinx的IP Wizard向导产生，也可以直接通过下面的例化代码直接使用。其Verilog的例化代码模板为：

// DCM_BASE: 基本数字时钟管理电路（Base Digital Clock Manager Circuit）
// 适用芯片：Virtex-4/5
// Xilinx HDL库向导版本，ISE 9.1
DCM_BASE #(
.CLKDV_DIVIDE(2.0),
// CLKDV分频比可以设置为: 1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5
// 7.0,7.5,8.0,9.0,10.0,11.0,12.0,13.0,14.0,15.0 or 16.0
.CLKFX_DIVIDE(1), // Can be any integer from 1 to 32
// CLKFX信号的分频比，可为1到32之间的任意整数
.CLKFX_MULTIPLY(4),
// CLKFX信号的倍频比，可为2到32之间的任意整数
.CLKIN_DIVIDE_BY_2("FALSE"),
// 输入信号2分频的使能信号，可设置为TRUE/FALSE
.CLKIN_PERIOD(10.0),
// 指定输入时钟的周期，单位为ns，数值范围为1.25~1000.00。
.CLKOUT_PHASE_SHIFT("NONE"),
// 指定移相模式，可设置为NONE或FIXED
.CLK_FEEDBACK("1X"),
// 指定反馈时钟的频率，可设置为NONE、1X或2X。相应的频率关系都是针对CLK0而言的。
.DCM_PERFORMANCE_MODE("MAX_SPEED"),
// DCM模块性能模式，可设置为 MAX_SPEED 或 MAX_RANGE
.DESKEW_ADJUST("SYSTEM_SYNCHRONOUS"),
// 抖动调整，可设置为源同步、系统同步或0~15之间的任意整数
.DFS_FREQUENCY_MODE("LOW"),
// 数字频率合成模式，可设置为LOW或HIGH 两种频率模式
.DLL_FREQUENCY_MODE("LOW"),
// DLL的频率模式，可设置为LOW、HIGH或HIGH_SER
.DUTY_CYCLE_CORRECTION("TRUE"),
// 设置是否采用双周期校正，可设为TRUE或FALSE
.FACTORY_JF(16'hf0f0),
// 16比特的JF因子参数
.PHASE_SHIFT(0),
// 固定相移的数值，可设置为 -255 ~ 1023之间的任意整数
.STARTUP_WAIT("FALSE")
// 等DCM锁相后再延迟配置DONE管脚，可设置为TRUE/FALSE
) DCM_BASE_inst (
.CLK0(CLK0), // 0度移相的DCM时钟输出
.CLK180(CLK180), // 180度移相的DCM时钟输出
.CLK270(CLK270), // 270度移相的DCM时钟输出
.CLK2X(CLK2X), // DCM模块的2倍频输出
.CLK2X180(CLK2X180), // 经过180度相移的DCM模块2倍频输出
.CLK90(CLK90), // 90度移相的DCM时钟输出
.CLKDV(CLKDV), // DCM模块的分频输出，分频比为CLKDV_DIVIDE
.CLKFX(CLKFX), // DCM合成时钟输出，分频比为(M/D)
.CLKFX180(CLKFX180), // 180度移相的DCM合成时钟输出
.LOCKED(LOCKED), // DCM锁相状态输出信号
.CLKFB(CLKFB), // DCM模块的反馈时钟信号
.CLKIN(CLKIN), // DCM模块的时钟输入信号
.RST(RST) // DCM 模块的异步复位信号
);
// 结束DCM_BASE模块的例化过程

在综合结果分析时，DCM系列原语的RTL结构如图3-36所示。

图3-36 DCM模块的RTL级结构示意图

 

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Spartan-3 DCM的兼容性

S3 的DCM和 Virtex-II 以及pro的DCM 功能基本相同。但是S3 DCM的技术属于3代技术，因此在抗噪性能、相移能力方面有进一步提高。（客观的说，对我们的普通应用，不是特别重要。）

       但是和Spartan-2系列相比，有很大改进。S2系列不叫DCM叫DLL，可见DFS和PS等功能完全是新加入的，所以S2系列其实除了二倍频几乎没有倍频和分频能力。从这点来讲，S3真的是用起来很爽了。

 

DCM 输入时钟的限制

和所有物理器件一样，DCM的工作范围也是受限的。由于DLL和DFS的要求各不相同，因此DCM的输入频率的限制也视乎是否同时使用DLL和DFS还是单独使用其中之一。如果同时使用，则取限制较严格者作为整个DCM系统的限制。我们来看两者的独立限制。

 

    呵呵，这部分内容不用记哦，需要的时候查一下软件或者手册就可以了。只要明白“CLKIN输入频率有限制，而且DLL、DFS同时使用时取其严格者” 这些道理就可以了。

    除了时钟限制之外，对于时钟的质量也有一定限制，主要有3个：
1. CLKIN cycle-to-cycle jitter：约束了前后两个CLKIN周期的差异；
2. CLKIN period jitter：约束了100万个cycle中最大周期和最小周期之间的差异；
3. CLKFB path delay variation：约束了从外部进来的反馈回路的延迟波动，这种延迟波动在概念上其实和jitter如出一辙。
具体数值请查手册，知道有这么回事就可以了。

 

LOCKED信号的行为方式

LOCKED信号用于指示整个DCM系统已经和CLKIN同步，从LOCKED信号有效开始，输出时钟才可以使用，在此之前，输出时钟可能会处于各种复杂的不稳定状态。我们来看一下LOCKED信号的行为状态机。

FPGA配置：
    if （CLKIN已经稳定） next_state = 判断同步；
    else                         next_state = RST_DCM；
判断同步：
    if （已经同步）          next_state = 判断同步；
    else                         next_state = 同步失败；
同步失败：                    next_state = RST_DCM；
RST_DCM：                  next_state = FPGA配置；

现在来看看各个状态下的输出。

case (state)
    FPGA配置： LOCKED = 0；
    判断同步：   LOCKED = 1；
    同步失败：   LOCKED = 0；
    RST_DCM：LOCKED = 0；
endcase

 

RST 信号——重启锁定

RST信号用于在时钟不稳定或者失去锁定时，将DCM的相关功能重置，从而重新启动锁定追踪。
    作为一个输入信号，RST无法被DCM自身置位，因此需要我们的应用设计来控制这个RST信号，否则需将其接地。
    置位RST会将延迟tap的位置置0，因此可能会产生glitch或者是duty cycle 发生变化，另外相位偏移也会重置回到默认值。

 

DCM 生成向导

安装了ISE就能得到一系列accessories。利用其中的Architecture Wizard 我们可以生成DCM模块。生成的DCM将产生3种输出：

1. 一个例化了DCM的逻辑综合文件（采用生产商特定格式的VHDL / Verilog）
2. 一个UCF文件控制特定实现
3. 所有其他用户设置都保存到XAW（Xilinx Architecture Wizard）文件中。

接下来描述一下向导使用步骤。

1. 从ISE或者Arch wizard中启动界面；
2. 第一个页面做基本配置：路径、XAW文件名、VHDL / Verilog选择、综合工具、FPGA型号；
3. 进行General setup，一看就明白，不细说，注意一下几点：
    - CLKIN source 如果选 external 则 DCM 的 CLKIN 会自动连接到 IBUFG。
    - Feedback如果选 internal 则反馈来自 BUFG。
4. 高级设置
    - 选择FPGA的配置过程是否包含DCM的锁定，如果是，则配置完成信号DONE将在LOCKED信号有效后方能有效。
    - 选择CLKIN是否要除2。由于DCM的输入频率有限，对于过高的输入时钟通过除2使之可用。
    - Deskew调整，这个选项建议在咨询xilinx工程师后再使用。
5. 时钟输出口 Buffer 设置
    - 默认情况下所有输出口都链接 BUFG 全局时钟网络入口
    - 由于全局时钟网络的入口有限，用户可以定制时钟输出口连接到其他类型的Buffer
       - Global Buffer：进入全局时钟网络的入口Buffer，共有4个，简称BUFG
       - Enabled Buffer：还是上面的4个全局时钟Buffer，但是配置为有使能信号控制，简称BUFGCE
       - Clock MUX：还是上面的4个全局时钟Buffer，但是配置为 2-to-1 MUX类型，由S信号控制选出，简称BUFGMUX
       - Low skew line：没有buffer了，只能使用 skew 比较小的连线
       - Local Routing：连到本地，skew的要求不是很严格
       - None：禁止输出
    - 对于Enabled Buffer类型和Clock Mux类型，需要指定En口的名字
    - 需要为输出时钟信号指定名字或者使用默认
6. 设置DFS
    - 设置目标输出频率，然后按calculate，自动生成 M/D 值和 Jitter 值
    - 或者手动设置 M/D 值，然后按calculate，自动生成频率和 Jitter 值
7. 最后输出所需的3种文件。

 

 

参考资料

1) 【翻译】DCM大魔头——今天一次把它搞定

http://www.socvista.com/bbs/viewthread.php?tid=1232&extra=&page=1

 

2) FPGA开发实用教程 第4节 Xilinx公司原语的使用方法1

http://openhw.eefocus.com/html/08-05/37457.shtml 

 

3) Using Digital Clock Managers (DCMs) in Spartan-3 FPGAs