基于FPGA的高頻時鐘的分頻和分配設計
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１ 引言
隨著應用系統向高速度、低功耗和低電壓方向的發展，對電路設計的要求越來越高?傳統集成電路設計技術已無法滿足性能日益提高的整機系統的要求。同時，由于ＩＣ設計與工藝技術水平的提高，集成電路規模越來越大，復雜程度越來越高。目前已經可以將整個系統集成在一個芯片上，即片上系統（Ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐ?縮寫為ＳＯＣ），這種芯片以具有系統級性能的復雜可編程邏輯器件（ＣＰＬＤ）和現場可編程門陣列（ＦＰＧＡ）為主要代表。與主要實現組合邏輯功能的ＣＰＬＤ相比，ＦＰＧＡ主要用于實現時序邏輯功能。對于ＡＳＩＣ設計來說，采用ＦＰＧＡ在實現小型化、集成化和高可靠性系統的同時，還可以減少風險、降低成本、縮短開發周期。
２ 系統硬件組成
本文介紹的時鐘板主要由于為ＰＥＴ（正電子發射斷層掃描儀）的前端電子學模塊提供３２路系統時鐘（６２．５ＭＨｚ）和３２路同步時鐘（４ＭＨｚ）。時鐘信號之間的偏差要求在２ｎｓ之內。為了消除各路時鐘信號之間的偏差，文中介紹利用ＦＰＧＡ來實現主時鐘的分頻、零延時輸出和分配，同時利用ＬＶＤＳ技術實現多路時鐘的傳輸的實現方法。圖１所示是其硬件設計示意圖。
由圖１可知，該時鐘電路的具體工作原理是：首先由精密晶體振蕩器產生６２．５ＭＨｚ的時鐘信號，然后經時鐘驅動芯片ＣＹ２３０５輸入ＦＰＧＡ芯片的時鐘引腳ＧＣＬＫ以作為時鐘源。該時鐘在ＦＰＧＡ芯片內部經ＤＬＬ（延遲鎖定環）模塊分別生成６２．５ＭＨｚ的系統時鐘和４ＭＨｚ的同步時鐘?ＬＶＴＴＬ電平信號?，然后由內部的ＩＯＢ（輸入輸出功能模塊）分配到６４個輸出引腳（３２路６２．５ＭＨｚ系統時鐘和３２路４ＭＨｚ同步時鐘），這６４路ＬＶＴＴＬ電平信號兩兩進入３２塊ＬＶＤＳ（兩路）驅動轉換芯片后，即可轉換為ＬＶＤＳ信號并通過差分雙絞線傳輸給前端電子學模塊的３２塊數字電路板。
圖2
２．１ ＦＰＧＡ的結構
單元型ＦＰＧＡ主要由三部分組成：可配置邏輯模塊ＣＬＢ（Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｂｌｅ Ｌｏｇｉｃ Ｂｌｏｃｋ），輸入、輸出模塊Ｉ／ＯＢ和可編程連線ＰＩ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）。對于不同規格的芯片，可分別包含８８、２０２０、４４４４甚至９２９２個ＣＬＢ陣列，同時配有６４、１６０、３５２、甚至４４８個Ｉ／ＯＢ以及為實現可編程連線所必需的其它部件。圖２所示是本設計中使用的ＸＣ２Ｓ３０芯片的內部結構。
２．２ Ｘｉｎｌｉｎｘ公司的ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列ＦＰＧＡ
Ｘｉｎｌｉｎｘ公司目前生產的ＦＰＧＡ有兩類代表性產品?一類是ＸＣ４０００３／Ｓｐａｒｔａｎ系列?另一類是Ｖｉｒ-ｔｅｘ／ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列。這兩類產品除具有ＦＰＧＡ的三種基本資源（可編程Ｉ／Ｏ、可編程邏輯功能模塊ＣＬＢ和可編程布線等）外?還具有片內ＲＡＭ資源。但兩種產品也有所不同。其中ＸＣ４０００Ｅ可以用于實現片內分布ＲＡＭ，同時專門為實現可編程片上系統開發的Ｖｉｒｔｅｘ系列，其片內分布ＲＡＭ和塊ＲＡＭ都可以實現，并可實現片上系統所要求的其他性能，如時鐘分配和多種電平接口等特性。ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列與Ｖｉｒｔｅｘ系列產品相比，除了塊ＲＡＭ數量少于Ｖｉｒｔｅｘ系列產品外，其余有關性能（如典型門范圍、線寬、金屬層、芯內電壓、芯片輸入輸出引腳電壓、系統頻率和所含ＤＬＬ個數等）都基本相同，它的一個突出優點（也是本設計選用該系列芯片的主要原因）是：該系列產品是專門為取代掩膜門陣列的低價位ＦＰＧＡ，在達到門陣列數量時，其價格可與門陣列相比。因此，本文介紹的時鐘電路的設計選用ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列ＦＰ-ＧＡ中的ＸＣ２Ｓ３０－５ＰＱ２０８芯片來實現。
３ 用ＦＰＧＡ實現時鐘分頻和分配
如圖２所示?ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列芯片內部含有四個全數字延時鎖定環（ＤＬＬ），每一個ＤＬＬ可驅動兩個全局時鐘分布網絡。通過控制ＤＬＬ輸出時鐘的一個采樣?可以補償由于布線網絡帶來的時鐘延時，從而有效消除從外部輸入端口到器件內部各個時鐘負載的延時。ＤＬＬ除提供對用戶輸入時鐘的零延時之外，還具有時鐘倍頻和分頻功能。它可以對時鐘源進行兩倍頻和１．５、２、３、４、５、８或１６分頻。本設計就是利用ＤＬＬ的零延時和分頻功能來實現對６２．５ＭＨｚ時鐘的輸出和１６分頻后４ＭＨｚ（約）時鐘的輸出。
３．１ 數字延時鎖定環（ＤＬＬ）的結構原理
圖３是一個ＤＬＬ的內部原理框圖，它由各類時鐘延時線和控制邏輯組成。延時線主要用于對時鐘輸入端ＣＬＫＩＮ產生一個延時。通過器件內部的時鐘分布網絡可將該輸入時鐘分配給所有的內部寄存器和時鐘反饋端ＣＬＫＦＢ。控制邏輯則主要用于采樣輸入時鐘和反饋時鐘以調整延時線。這里所說的延時線由壓控延時或衰減延時組件構成，ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列芯片選用了后者。ＤＬＬ可在輸入時鐘和反饋時鐘之間不停地插入延時，直到兩個時鐘的上升沿同步為止。當兩時鐘同步時，ＤＬＬ鎖定。在ＤＬＬ鎖定后，只要輸入時鐘沒有變化，兩時鐘就不會出現可識別偏差。因此，ＤＬＬ輸出時鐘就補償了時鐘分布網絡帶來的輸入時鐘延時，從而消除了源時鐘和負載之間的延時。
３．２ ＤＬＬ功能的實現
ＳｐａｒｔａｎＩＩ系列芯片內含專門實現ＤＬＬ功能的宏單元模塊ＢＵＦＧＤＬＬ，其結構簡圖如圖４所示。該模塊由ＩＢＵＦＧ、ＣＬＫＤＬＬ和ＢＵＦＧ三個庫元件組成?其原理框圖如圖５所示。圖５中，ＣＬＫＤＬＬ庫元件用于實現ＤＬＬ的主要功能?包括完成時鐘的零延時輸出、時鐘的倍頻以及分頻和鏡像操作。而ＩＢＵＦＧ和ＢＵＦＧ則分別實現外部時鐘的輸入以及將輸出時鐘分配到芯片引腳。本設計的時鐘分頻就是將６２．５ＭＨｚ的時鐘由ＩＢＵＦＧ輸入?經ＣＬＫＤＬＬ分頻后再由ＣＬＫＤＶ端傳給ＢＵＦＧ?然后經片內ＩＯＢＵＦ分配到芯片的普通Ｉ／Ｏ輸出引腳。
４ 軟件實現
在設計的總體構思和器件選擇完成后，必須進行的工作是建立設計輸入文件，該文件主要用于描述所設計電路的邏輯功能。這里使用的是ＸＩＬＩＮＸ公司提供的開發工具ＦＯＵＮＤＡＴＩＯＮ ４．１。本設計采用硬件描述語言ＶＨＤＬ來設計，其部分程序如下：
ｅｎｔｉｔｙ ｌｖｄｓ ｉｓ
ｐｏｒｔ (
ｐｃｌｋ: ｉｎ ＳＴＤ ＬＯＧＩＣ;
ｐｃｌｋ_６２: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(３１ ｄｏｗｎｔｏ ０);?
ｐｃｌｋ_４: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(３１ ｄｏｗｎｔｏ ０));
ｅｎｄ ｌｖｄｓ;
ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｌｖｄｓ_ａｒｃｈ ｏｆ ｌｖｄｓ ｉｓ
ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｌｋｄｌｌ
ｐｏｒｔ( ｃｌｋｉｎ: ｉｎ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;
ｃｌｋｆｂ : ｉｎ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;
ｒｓｔ: ｉｎ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;
ｃｌｋ０: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;
ｃｌｋ９０ : ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;
ｃｌｋ１８０: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;
ｃｌｋ２７０: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;
ｃｌｋ２ｘ : ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;
ｃｌｋｄｖ: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;
ｌｏｃｋｅｄ: ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ);
ｅｎｄ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ;
ｂｅｇｉｎ
ｒｅｓｅｔ ｎ＜＝‘０＇ ；
ｕｉｂｕｆ : ｉｂｕｆｇ ｐｏｒｔ ｍａｐ (
ｉ ＝＞ ｐｃｌｋ,
ｏ ＝＞ ｃｌｋ);
ｕｄｌｌ: ｃｌｋｄｌｌ ｐｏｒｔ ｍａｐ( ｃｌｋｉｎ ＝＞ ｃｌｋ,
ｒｓｔ ＝＞ ｒｅｓｅｔ_ｎ,
ｃｌｋｆｂ ＝＞ ｃｌｋｆｂ,
ｃｌｋ０ ＝＞ ｃｌｋ０,
ｃｌｋ９０ ＝＞ ｏｐｅｎ,
ｃｌｋ１８０ ＝＞ ｏｐｅｎ,
ｃｌｋ２７０ ＝＞ ｏｐｅｎ,
ｃｌｋ２ｘ ＝＞ ｃｌｋ２ｘ,
ｃｌｋｄｖ ＝＞ ｃｌｋｄｖ,
ｌｏｃｋｅｄ ＝＞ ｌｏｃｋｅｄ
);
ｂｕｆｇ_ｃｌｋ０: ｂｕｆｇ ｐｏｒｔ ｍａｐ ( ｉ ＝＞ ｃｌｋ０,
ｏ＝＞ｃｌｋ_ｉｎｔ２;
);
ｃｌｋｆｂ＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ２;
ｐｒｏｃｅｓｓ(ｃｌｋ２ｘ);
ｂｅｇｉｎ
ｉｆ ｃｌｋ２ｘ′ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ２ｘ＝′１′ ｔｈｅｎ
ｃｌｋ_ｉｎｔ ＜＝ｃｌｋ ｉｎｔ２；
ｃｌｋ_ｉｎｔ３＜＝ ｃｌｋｄｖ；
ｐｃｌｋ_６２（０）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ；
ｐｃｌｋ_６２（１）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ；
…
…
ｐｃｌｋ_６２（３１）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ；
ｐｃｌｋ_４（０）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ３；
ｐｃｌｋ_４（１）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ３；
…
…
ｐｃｌｋ_４（３１）＜＝ｃｌｋ_ｉｎｔ３；
ｅｎｄ ｉｆ；
ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ；
ｅｎｄ ｌｖｄｓ_ａｒｃｈ；
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