FPGA时钟资源与设计方法——Xilinx(Vivado)

1 FPGA时钟资源

1.时钟资源包括：时钟布线、时钟缓冲器（BUFG\BUFR\BUFIO）、时钟管理器(MMCM/PLL)。

2.时钟类型有三种：全局时钟，可以驱动整个内核上的同步逻辑；局部时钟，可以驱动特定和相邻区域的逻辑；IO时钟，可以驱动某个IO的特定逻辑。

3.混合模式时钟管理器（MMCM）和数字时钟管理器（DCM），DCM与MMCM设计差别很大。

4.时钟复用：Xilinx提供了BUFGMUX原语，能够在两个全局时钟源之间进行选择。该原语还确保了当输入时钟选择改变时，系统能不受毛刺干扰。

5.FPGA提供专用的低偏移时钟布线资源，偏移被定义为时钟边沿到达同步逻辑元件的时间偏差。

1.内部产生的时钟是组合逻辑或寄存器的输出，组合逻辑产生的时钟会有毛刺，会被错误的当成有效时钟边沿触发寄存器工作，从而导致功能错误，因此，禁止使用组合逻辑的输出作为时钟。

2.内部产生的时钟使用普通布线资源，与专用时钟布线相比延迟较长，其后果是时钟偏移增加，满足时序的过程更加困难，设计中尽量减少使用内部逻辑生成的时钟。

3.使用时钟的单个边沿(单单使用上升沿或是下降沿)，除了一些特殊情况，寄存数据通常总是使用时钟的上升沿或下降沿。使用两个边沿带来的问题是由于时钟占空比可能并不总是50%，这会对电路的正常工作产生影响。

4.使用差分时钟，建议在频率高的情况下使用差分时钟。通常认为频率高于100MHz以上属于高频。差分时钟相比单端时钟的主要优势是共模噪声抑制，因此抗噪声性能更好。具有PECL、LVPECL和LVDS信号电平的差分时钟是高速逻辑下时钟的首选。

5.使用门控时钟，能够禁止或允许时钟输入到寄存器或其他同步元件上的一种方法。能够有效降低功耗，被使用在ASIC中，在FPGA中尽量避免使用这种方法。

6.不建议将时钟信号作为通用逻辑的控制、复位或数据输入。

7.源同步时钟，许多与FPGA接口的外设都使用与数据一样的源同步时钟。如果接口在高速下工作，可能需要对时钟边沿进行校准，以便在数据窗口的中间捕获数据。为实现动态校准，Xilinx的MMCM原语提供了动态重新配置端口（DRP），允许时钟的可编程相位偏移。

8.Xilinx提供了能在两个全局时钟源之间进行复用的BUFGMUX原语。他还确保了当输入时钟切换后不会产生毛刺。参与复用的时钟可以毫不相关，并且建议使用专用的时钟资源实现时钟复用，确保输入和输出时钟使用专用时钟线。

9.检测时钟缺失（absence），一种方法是使用其他更高速的时钟对其进行过采样，缺点是时钟可能没有可用的高速时钟。还有一种方法是使用Xilinx的MMCM原语的locked输出。

作为曾经的初学者，在开发的过程中对于时钟资源的使用，以前也犯过一个错误，这里总结一些精练笔记，减少大家在开发的过程中少出错；如果对您有帮助，请不吝赐赞和关注，我会不断分享。