如何从PCB到FPGA获取用户时钟

引言：7系列FPGA具有多个时钟路由资源，以支持各种时钟方案和要求，包括高扇出、短传播延迟和极低的偏移。为了最好地利用时钟路由资源，必须了解如何从PCB到FPGA获取用户时钟，确定哪些时钟路由资源是最佳的，然后通过使用适当的I/O和时钟缓冲器来访问这些时钟路由资源。该章节包括：

时钟缓冲选择考虑

时钟输入管脚

1.时钟缓冲器选择考虑

7系列FPGA拥有丰富的时钟资源。各种缓冲器类型、时钟输入管脚和时钟连接，可以满足许多不同的应用需求。选择合适的时钟资源可以改善布线、性能和一般FPGA资源利用率。 BUFGCTRL（最常用作BUFG）是最常用的时钟布线资源。这些真正的全局时钟可以连接到器件的任何位置。但是在某些情况下，出于性能、功能或时钟资源可用性的原因，使用备用时钟缓冲器更为有利。最好在以下情况下使用BUFG：

设计或设计的一部分可以覆盖整个器件的大面积区域，功能的本地化是不可能的。

硬件功能块，如块RAM、DSP或集成IP，跨越多个时钟区域，级联或需要连接到不在附近的CLB。

同步（glitch free）或异步时钟切换，应用程序能够从停止的时钟切换或选择具有不同频率的时钟（例如，用于降低功耗）。

时钟使能（CE）功能可用于在非运行期间降低功率。在大多数情况下，由于时序（CE延迟）的限制，CE不能够用于在时钟元件处模拟真实的CE逻辑功能。

CE功能可用于在器件启动后同步已初始化的时钟元件。

图1、串行LVDS ADC接口常见设计

BUFR和BUFIO组合的主要目的是支持源同步接口（如图1所示）。当一个接口被放置在一个区域中时，BUFIO对SelectIOs的高速侧进行时钟控制，BUFR以较低的速度将解串器/串行器侧时钟送入提供时钟域传输功能的FPGA逻辑中。对于需要更多逻辑和/或I/O的接口，BUFMR（BUFMRCE）用于将时钟域传输功能扩展到上面和下面的（above and below）时钟区域。当MMCM/PLL不能使用或不可用于分频功能时，需要与源同步I/O用例无关的分频时钟的某些类型的应用程序可以将BUFR用作简单的时钟分频器。在这种情况下，必须特别注意时序和偏移，因为这不是BUFR的主要目的。有关选择资源计时的更多信息，请参阅UG471，7系列FPGA SelectIO资源用户指南。

水平时钟缓冲器BUFH（BUFHCE）严格来说是一个区域资源，不能跨越上面或下面的时钟区域。与BUFR不同，BUFH没有分频时钟的能力。

BUFHs类似于全球时钟资源，只是在区域基础上跨越两个水平区域。

BUFHs能够作为MMCM/PLL的反馈，时钟插入延迟可以得到补偿。

当接口或逻辑云位于一个时钟区域或两个水平相邻的时钟区域时，BUFHs是首选的时钟资源。

BUFH还具有时钟使能引脚（BUFHCE），当逻辑或接口及其相关逻辑未激活时，可使用该引脚降低动态功耗。

时钟使能功能可在时钟周期的基础上提供门控时钟。

与全局时钟树类似，BUFH还可以连接到CLB（enable/reset）中的非时钟资源，具有更好的偏移特性。

BUFH也可用于同步启动时钟区域中时钟元件。

2.时钟输入规则

外部用户时钟必须通过称为clock-capable（CC）输入的差分时钟管脚对引入FPGA。时钟输入管脚支持对内部全局和区域时钟资源的专用高速访问。时钟输入管脚使用专用路由，必须用于时钟输入，以保证各种时钟的时序特征。使用本地互联的一般目的I/O不应用于时钟信号。

图2、_CC时钟管脚连接 每个I/O Bank位于一个时钟区域，包括50个I/O引脚。在每个I/O bank中每个I/O组中的50个I/O管脚中，有4个支持时钟的输入管脚对（共8个管脚）。每个时钟输入：

可连接到PCB上的差分或单端时钟

可为任何I/O标准配置，包括差分I/O标准

有一个P-side（主）和一个N-side（从）

如果单端时钟连接到差分时钟管脚对的P侧，则N侧不能用作另一个单端时钟管脚，只能用作用户I/O。 时钟输入管脚在每个I/O Bank中有2个MRCCs和2个SRCCs对。SRCC访问单个时钟区域和全局时钟树，以及同一列中上下的其CMTs。SRCC可以驱动：

同一时钟区域内的区域时钟线（BUFR、BUFH、BUFIO）。

同一时钟区域和相邻时钟区域的CMT。

位于器件的上/下半部分的全局时钟线（BUFG）。

MRCCs可以访问多个时钟区域和全局时钟树。MRCCs的功能与SRCCs相同，还可以驱动多时钟区域缓冲器（BUFMR）来访问多达三个时钟区域。 如果不用作时钟，时钟输入管脚可以用作常规I/O。当用作常规I/O时，支持时钟的输入引脚可以配置为任何单端或差分I/O标准。 时钟输入管脚可以连接到同一时钟区域的CMT，和该时钟区域的上下的CMT，但具有一定的限制。

2.1 单个时钟驱动单个CMT

当时钟输入驱动单个CMT时，时钟输入管脚和CMT（MMCM/PLL）必须在同一时钟区域。

2.2 单个时钟驱动多个CMTs

一个时钟输入可以驱动同一列中的其CMT。在这种情况下，一个MMCM/PLL必须被放置在与时钟输入管脚相同的时钟区域中。在相邻区域放置附加的CMT是更为优化的，但是在同一列中，可以驱动比一个CMT更远的CMT。CMT中使用的资源必须相同，才能自动放置此配置而不使用CLOCK_DEDICATED_ROUTE约束。如果需要混合MMCMs/PLL，则应首先将其置于同一CMT中。 如果有必要从不在同一时钟区域的时钟输入管脚驱动CMT，并且在与时钟输入管脚相同的时钟区域中没有MMCM/PLL，则必须设置属性CLOCK_DEDICATED_ROUTE = BACKBONE。在这种情况下，MMCM或PLL不能正确地将输出与输入时钟对齐，即存在时钟偏移。 在同一列中专用资源驱动CMT是有限制的。一些Xilinx IP使用这些资源，从而使不可用于其设计用途，并导致设计无法布线。如果到其时钟区域的专用路由不可用，则将CLOCK_DEDICATED_ROUTE设置为FALSE将允许使用本地互连逻辑，尽管这会导致更长的无补偿延迟。如果由普通的IO管脚驱动全局时钟资源，比如BUFG或者MMCM，则CLOCK_DEDICATED_ROUTE = FALSE。

2.3 时钟输入管脚放置规则

在创建初始设计之前，手动选择支持时钟的输入引脚时，有两个主要考虑因素：

确保支持时钟输入可以连接到所需的时钟资源。表所示的布局规则确保连通性。

确保所需的时钟资源是可用的，并且没有被设计的另一部分使用。确保通过时钟输入管脚进入的外部时钟和来自IP的内部生成时钟不会在访问内部时钟网络时发生冲突，最好的方法是构建包含所需时钟网络和IP的初始设计，并通过实现工具运行。这大大增加了检查和信心，即引脚不需要由于时钟原因而改变。

遵循表2-1所示的放置规则，以确保具有时钟输入引脚选择能够访问所需的内部时钟网络。每个I/O Bank位于在一个时钟区域中。 注：通过确保正确选择具有时钟输入引脚的位置，避免昂贵的电路板重新设计和差的时钟时序。

表1、时钟输入放置规则 在相同的封装器件之间迁移时，将BUFG组织为16个top和16个bottom资源的上/下中心线可能相对于其列发生了移动。具体地说，I/O列会更改与顶部/底部BUFGs的对齐方式。这会导致访问BUFG的时钟输入引脚的不同对齐方式。图1显示了使用XC7K325T和XC7K160T器件的中心对齐示例。在这种情况下，当从相同封装中的大器件移动到小器件时，中心线较低（相对于I/O列），或者从小器件移动到大器件时，中心线更高。如果时钟输入引脚被定位，设计可以是不可布线的。

图3、使用XC7K325T和XC7K160T器件的中心对齐示例 当迁移到相同封装的一个较小的器件时，也可能会出现这样的情况：较大器件的南侧的所有BUFG都已被利用，而没有更多的BUFG可用。见UG475:7系列FPGA封装和引脚输出规范，用于BUFG和I/O组对准。 另外，具有多个超级逻辑区域（SLR）的器件在同一个包中从单个SLR中的单片路径迁移时可能具有类似的限制。