2024年4月19日发(作者：)

在 Xilinx 系列 FPGA 产品中，全局时钟网络是一种全局布线资源，它可以保证时钟信号到达各个目标逻

辑单元的时延基本相同。其时钟分配树结构如图1所示。

图 FPGA全局时钟分配树结构

针对不同类型的器件，Xilinx公司提供的全局时钟网络在数量、性能等方面略有区别，下面以Virtex-4

系列芯片为例，简单介绍FPGA全局时钟网络结构。

Virtex- 4系列FPGA利用1.2V、90nm三栅极氧化层技术制造而成，与前一代器件相比，具备灵活的时钟

解决方案，多达80个独立时钟与20个数字时钟管理 器，差分全局时钟控制技术将歪斜与抖动降至最低。

以全铜工艺实现的全局时钟网络，加上专用时钟缓冲与驱动结构，从而可使全局时钟到达芯片内部所有的

逻辑可 配置单元，且I/O单元以及块RAM的时延和抖动最小，可满足高速同步电路对时钟触发沿的苛刻需

求。

在FPGA设计中，FPGA全局时钟路径 需要专用的时钟缓冲和驱动，具有最小偏移和最大扇出能力，因此最

好的时钟方案是由专用的全局时钟输入引脚驱动的单个主时钟，去钟控设计项目中的每一个触发 器。只要

可能就应尽量在设计项目中采用全局时钟，因为对于一个设计项目来说，全局时钟是最简单和最可预测的

时钟。

在软件代码中，可通过调用原语 IBUFGP来使用全局时钟。IBUFGP的基本用法是：

IBUFGP U1(.I(clk_in), .O(clk_out));

全局时钟网络对FPGA设计性能的影响很大，所以本书在第11章还会更深入、更全面地介绍全局时钟网络

以及相关使用方法。

DCM模块的使用

1．DCM模块的组成和功能介绍

数 字时钟管理模块（Digital Clock Manager，DCM）是基于Xilinx的其他系列器件所采用的数字延迟锁

相环（DLL，Delay Locked Loop）模块。在时钟的管理与控制方面，DCM与DLL相比，功能更强大，使用

更灵活。DCM的功能包括消除时钟的延时、频率的合成、时钟相位的调整等 系统方面的需求。DCM的主要

优点在于：①实现零时钟偏移（Skew），消除时钟分配延迟，并实现时钟闭环控制；②时钟可以映射到PCB

上用于同步外部芯 片，这样就减少了对外部芯片的要求，将芯片内外的时钟控制一体化，以利于系统设计。

对于DCM模块来说，其关键参数为输入时钟频率范围、输出时钟频率范 围、输入/输出时钟允许抖动范围

等。

DCM共由四部分组成，如图2所示。其中最底层仍采用成熟的DLL模块；其次分别为数字频率合成 器（DFS，

Digital Frequency Synthesizer）、数字移相器（DPS，Digital Phase Shifter）和数字频谱扩展器（DSS，

Digital Spread Spectrum）。不同的芯片模块的DCM输入频率范围是不同的，例如：。

图2 DCM功能块和相应的信号

1）DLL模块

DLL 主要由一个延时线和控制逻辑组成。延时线对时钟输入端CLKIN产生一个延时，时钟分布网线将该时

钟分配到器件内的各个寄存器和时钟反馈端CLKFB；控 制逻辑在反馈时钟到达时采样输入时钟以调整二者

之间的偏差，实现输入和输出的零延时，如图3所示。具体工作原理是：控制逻辑在比较输入时钟和反馈

时钟的偏 差后，调整延时线参数，在输入时钟后不停地插入延时，直到输入时钟和反馈时钟的上升沿同步，

锁定环路进入“锁定”状态，只要输入时钟不发生变化，输入时钟 和反馈时钟就保持同步。DLL可以被用

来实现一些电路以完善和简化系统级设计，如提供零传播延迟，低时钟相位差和高级时钟区域控制等。

图3 DLL简单模型示意图

在Xilinx芯片中，典型的DLL标准原型如图4所示，其管脚分别说明如下：

图4 Xilinx DLL的典型模型示意图

CLKIN（源时钟输入）：DLL输入时钟信号，通常来自IBUFG或BUFG。

CLKFB（反馈时钟输入）：DLL时钟反馈信号，该反馈信号必须源自CLK0或CLK2X，