FPGA系统架构设计实践15_高云Arora V系列时钟体系

高云Arora V系列时钟体系

概述

a)本节背景:国产FPGA存在时钟架构模糊、设计指引缺失等痛点。因此该时钟体系解决

1)时钟资源不分层,内核逻辑与高速IO共用布线,高频下抖动、串扰超标,时序收敛难度大;

2)时钟门控、切换等功能依赖用户逻辑搭建,容易产生毛刺和亚稳态,无法满足车规功能安全、低EMI要求;

3)不同规模器件资源无梯度匹配,小设计浪费资源,大设计资源不足。

高云Arora V系列时钟体系正是针对上述问题,提出的分层专业架构。

b)

1)2层专用时钟网络

2)3类时钟功能模块

全局时钟

a)DCE

1)本小节背景:在低功耗FPGA设计中,时钟门控是降功耗的关键。但传统纯逻辑方案的痛点是:①纯组合逻辑搭建门控容易出毛刺,引起寄存器误触发;②用户逻辑实现的门控无法接入专用全局时钟网络,时钟skew不可控,高频设计时序收敛难度提升;③不同项目门控实现方式不统一,综合和时序分析一致性差。

2)

b)DCS

1)本小节背景:在高可靠、多模式、低功耗FPGA系统中,多时钟源动态切换是核心需求,如主备时钟冗余、动态变频降功耗、多接口速率切换。但存在三个问题:①用逻辑MUX切换时钟,异步切换容易产生毛刺窄脉冲,导致寄存器误触发和亚稳态;②时序质量差:逻辑MUX走通用布线资源,引入额外skew与抖动,高频时钟路径下时序收敛难度增加;③开发成本高。

2)

高速时钟

a)DHCE

1)本小节背景:在MIPI、DDR、SerDes高速接口设计中,时钟动态关断是降低功耗的核心手段。但传统方案存在三个问题:①用通用LUT逻辑搭建高速时钟门控,走普通布线资源会引入额外时钟抖动与skew,在数百MHz的高速接口场景下,直接导致IO建立/保持时间裕量不足,时序收敛困难;②异步门控容易产生毛刺,引发采样错误、数据丢包、PHY失锁甚至系统异常复位;③全局时钟门控DCE针对内核逻辑优化,无法接入HCLK高速时钟专用路径,强制跨域使用会损失高速时钟的路径优势,无法发挥IO接口的最高性能。

2)

b)CLKDIV2

1)本小节背景:在MIPI、DDR、源同步高速IO设计中,需要对高速时钟进行二分频以生成并行域时钟,且要求分频前后时钟相位严格对齐。传统逻辑实现方案的问题:①用通用寄存器搭建分频电路,走普通布线资源会引入额外的时钟skew和抖动,相位偏差不可控,压缩高速IO的建立/保持时间裕量,导致时序收敛困难;②相位一致性差,多通道并行设计中,各通道逻辑分频的复位与布线延迟存在差异,容易导致通道间时钟相位偏移;③全局PLL分频资源数量有限且面向全芯片,无法为每个IO bank提供独立灵活的高速分频能力。

2)

c)CLKDIV

1)本小节背景:在DDR、MIPI、SerDes高速串行、源同步IO等场景中,时钟分频不仅需要支持多种分频比,还需要精准微调相位以实现采样窗口居中。传统方案存在三个问题:①逻辑分频性能不足,如抖动大、相位偏差不可控、半整数分频逻辑实现复杂,高速下直接导致采样错误;②相位校准成本高精度低,依赖于PLL相位微调,但是PLL资源有限且无法按IO Bank独立校准,用逻辑延时线补偿则受工艺温漂影响大,一致性差;③全局时钟分频资源面向内核逻辑优化,接入高速IO路径会引入额外布线延迟,损失HCLK专用路径的性能优势,压缩了接口时序裕量。

2)

d)DLLDLY

1)本小节背景

2)

系统时钟

a)PLL

1)本小节背景

2)分频方式

3)相位和占空比

b)PLLA

1)与PLL的区别

c)DQS

1)本小节背景

d)DDRDLL

晶振时钟

a)OSC

b)OSCA

c)OSCB

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