江蘇金陵機(jī)械制造總廠 徐立升 張建春

基于FPGA的DCM設(shè)計(jì)研究

江蘇金陵機(jī)械制造總廠 徐立升 張建春

Xilinx公司的FPGA中的數(shù)字時(shí)鐘管理單元（DCM），具有強(qiáng)大的時(shí)鐘管理作用。本文介紹了FPGA中的DCM的原理與應(yīng)用，對(duì)其工作原理、組成、使用方法及應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)描述，通過對(duì)DCM IP核的參數(shù)設(shè)置和程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了時(shí)鐘的倍頻、分頻和相位移動(dòng)等功能。

FPGA；DCM；IP核

1 引言

隨著集成電路的發(fā)展，芯片的集成度越來(lái)越高，實(shí)現(xiàn)的功能越來(lái)越多?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA是一種可在線編程的邏輯芯片，具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)處理與運(yùn)算能力，在通信與圖像處理中的應(yīng)用越來(lái)越多。為了適應(yīng)各種需要，F(xiàn)PGA內(nèi)部集成了數(shù)字時(shí)鐘管理單元DCM，DCM提供了強(qiáng)大的時(shí)鐘管理功能：時(shí)鐘去偏斜，頻率綜合，時(shí)鐘相移，動(dòng)態(tài)重配置等功能。DCM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 DCM內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 DCM組成

DCM是Xilinx公司專有的時(shí)鐘管理模塊，DCM由四個(gè)獨(dú)立的功能單元組成：（1）延遲鎖定環(huán)路(Delay-Locked Loop，DLL)；（2）數(shù)字頻率綜合器(Digital Frequency Synthesizer，DFS)；（3）數(shù)字相移器(Phase Shift，PS)；（4）狀態(tài)邏輯(Status Logic，SL)[1]。此外，DCM還有一個(gè)重要的動(dòng)態(tài)可重配置功能。

2.1 DLL模塊

DLL模塊由一條可變的延遲線和控制邏輯組成。延遲線由延遲單元組成，輸入的時(shí)鐘經(jīng)過延遲線，每個(gè)延遲單元的輸出代表著輸入時(shí)鐘的不同延遲版本。DCM輸出的時(shí)鐘信號(hào)經(jīng)過全局緩沖器到達(dá)FPGA內(nèi)部各個(gè)模塊的延遲是相同的，但是與DCM輸入時(shí)鐘有一個(gè)固定的走線延遲，為了消除這段延遲，DCM中引入了反饋時(shí)鐘CLKFB，通過CLKFB與輸入時(shí)鐘相比較，調(diào)節(jié)控制延遲單元的個(gè)數(shù)，使得CLKFB與輸入時(shí)鐘同相，消除走線延遲[2]，使得到達(dá)各個(gè)模塊的時(shí)鐘與FPGA輸入管腳的時(shí)鐘同相。DLL原理框圖如圖2所示。

圖2 DLL原理框圖

2.2 數(shù)字頻率綜合器

數(shù)字頻率綜合器提供了強(qiáng)大的頻率綜合功能，除了直接實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的倍頻外，還提供一個(gè)倍頻系數(shù)M與分頻系數(shù)D，M和D可以為任意的正整數(shù)，輸出頻率可以是M/D表示的輸入時(shí)鐘頻率的任意函數(shù)，可以輸出多種時(shí)鐘頻率。

2.3 數(shù)字相移器

DCM的數(shù)字相移器提供粗粒度和細(xì)粒度兩種時(shí)鐘相移。對(duì)于粗粒度相移控制，DCM直接輸出四種時(shí)鐘CLK0，CLK90，CLK180，CLK270，這四種輸出依次相對(duì)移相1/4個(gè)輸入時(shí)鐘周期。此外，CLK2X180和CLKFX180分別提供CLK2X和CLKFX的180°粗調(diào)相移。粗粒度相移直接從DLL的延遲線產(chǎn)生。數(shù)字相移器提供的細(xì)粒度相移可以精確的調(diào)整輸出時(shí)鐘與輸入時(shí)鐘之間的相位關(guān)系，細(xì)粒度相移使用CLKOUT_PHASE_SHIFT和PHASE_ SHIFT屬性來(lái)調(diào)節(jié)輸出時(shí)鐘的相位[3]。DCM中時(shí)鐘的移相是相對(duì)CLKIN而言的。DCM中的細(xì)粒度時(shí)鐘相位調(diào)整為：

相移(ns)=(PHASE_SHIFT/256)*FCLKIN

其中FCLKIN為輸入時(shí)鐘CLKIN的頻率。

DCM中數(shù)字相移器可以提供正負(fù)相位的調(diào)整，在VARIABLE_ CENTER和FIXED模式下，PHASE_SHIFT屬性的全范圍始終是-128到+128。在VARIABLE_POSITIVE模式下，PHASE_SHIFT屬性的范圍是0到+255，可以實(shí)現(xiàn)輸入時(shí)鐘的1/256相位的精確調(diào)整。

2.4 狀態(tài)邏輯

狀態(tài)邏輯表示出DCM的工作狀態(tài)。STATUS[7:0]只有低3位有定義；STATUS[0]置高時(shí)，表示DCM相移溢出；當(dāng)STATUS[1]置高時(shí)，表明CLKIN端沒有輸入時(shí)鐘；當(dāng)STATUS[2]置高時(shí)，表明CLKFX端沒有輸出信號(hào)。

2.5 動(dòng)態(tài)重配置

動(dòng)態(tài)重配置端口可以實(shí)時(shí)加載來(lái)更新DCM的初始設(shè)置,不需要重新啟動(dòng)電路。動(dòng)態(tài)重配置端口可以完成以下功能：

（1）可動(dòng)態(tài)調(diào)整倍頻系數(shù)M與分頻系數(shù)D，產(chǎn)生新的時(shí)鐘頻率。

（2）可動(dòng)態(tài)調(diào)整相移因子PHASE_SHIFT值，產(chǎn)生新相移。

圖3 FPGA中DCM硬件電路示意圖

3 DCM的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

DCM是FPGA重要的資源，本文以Xilinx Virtex-5系列的FPGA為例來(lái)研究DCM IP核的設(shè)計(jì)與使用。在Virtex-5系列的FPGA中集成了DCM的IP核，用戶使用時(shí)，直接配置IP核即可。配置代碼如下所示。

DCMM DCMModule (

.CLKIN_IN(clkin), //輸入時(shí)鐘信號(hào)

.RST_IN(reset), //輸入復(fù)位信號(hào)

.CLKDV_OUT(clkdv), //輸出可配置分頻信號(hào)

.CLKFX_OUT(clkfx), //輸出反饋信號(hào)

.CLKFX180_OUT(clkfx180), //輸出反饋信號(hào)的反相信號(hào)

.CLK0_OUT(clk0), //輸出與輸入時(shí)鐘同相信號(hào)

.CLK2X_OUT(clk2x), //輸出倍頻信號(hào)

.CLK2X180_OUT(clk2x180), //輸出倍頻信號(hào)的反相信號(hào)

.CLK90_OUT(clk90), //輸出移相90度的時(shí)鐘信號(hào)

.CLK180_OUT(clk180), //輸出移相180度的時(shí)鐘信號(hào)

.CLK270_OUT(clk270), //輸出移相270度的時(shí)鐘信號(hào)

.LOCKED_OUT(locked) //輸出鎖定信號(hào)

);DCM具有強(qiáng)大的時(shí)鐘管理功能，F(xiàn)PGA內(nèi)部通過DCM可以產(chǎn)生各種需求的時(shí)鐘信號(hào)，滿足不同系統(tǒng)對(duì)時(shí)鐘頻率的要求。并且通過代碼可以直接修改時(shí)鐘頻率，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)的工作量，能夠滿足各種應(yīng)用需求，此外DCM中的LOCKED信號(hào)表明DCM已正常工作，可以用作電路中其它模塊的復(fù)位信號(hào)。FPGA中DCM硬件電路示意圖如圖3所示。

圖4 DCM產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)

通過圖3可看出所有的輸出時(shí)鐘都接入到全局時(shí)鐘緩沖器。全局時(shí)鐘緩沖器輸出的時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)各個(gè)觸發(fā)器的延遲相等，可以消除走線延遲對(duì)觸發(fā)器同步產(chǎn)生的影響。輸出時(shí)鐘的同相位CLK0經(jīng)過走線后接入CLKFB輸入端，消除走線延遲，始終保持輸入時(shí)鐘與輸出時(shí)鐘同相。DCM產(chǎn)生的各種頻率的時(shí)鐘信號(hào)如圖4所示。

4 結(jié)論

時(shí)鐘是FPGA電路正常工作不可或缺的部分。FPGA中DCM具有頻率合成，相移調(diào)整、動(dòng)態(tài)可重配置等功能。本文介紹了Xilinx系列的FPGA中DCM的設(shè)計(jì)和使用，通過仿真產(chǎn)生不同頻率的時(shí)鐘信號(hào),可以滿足各種應(yīng)用需求。

[1]李丙玉,王曉東,呂寶林,劉文光.FPGA設(shè)計(jì)中DCM的原理分析及應(yīng)用研究[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,12-2:164-166.

[2]賈亮,馬興,孫偉等.基于Xilinx FPGA DCM的研究與設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2014,10:85-88.

[3]Xilinx.Virtex-5用戶指南.Xilinx INC,2007.