Xilinx FPGA 学习笔记——时钟资源

在Xilinx的FPGA中，时钟网络资源分为两大类：全局时钟资源和区域时钟资源。

全局时钟资源是一种专用互连网络，它可以降低时钟歪斜、占空比失真和功耗，提高抖动容限。Xilinx的全局时钟资源设计了专用时钟缓冲与驱动结构，从而使全局时钟到达CLB、IOB和BRAM的延时最小。

区域时钟资源是独立于全局时钟网络的。Xilinx的器件分成若干个时钟区域，以Virtex-6为例，Virtex-6的最小器件有6个区域，最大器件有18个区域。它与全局时钟不同，区域时钟信号X只能驱动限定的时钟区域。

这里面提到区域时钟的概念，需要解释一下。Xilinx的FPGA器件是通过时钟区域来管理时钟网络的，以Virtex-6为例，时钟区域的大小固定为40个CLB 高，半个晶片宽。因此大尺寸的器件有更多的时钟区域。如下图所示，下图中的FPGA器件一共包含6个时钟区域，左侧三个右侧三个，从图可以看出每个区域高度是2*20CLBs，区域宽度是半个FPGA芯片的宽度。中间是CMT时钟管理模块。

每个时钟区域的中间方向有一个时钟行（HROW），以Virtex-6为例，一个时钟行，共包含12个水平时钟线，12个水平时钟线可以全部由全局时钟BUFG驱动。也可以由区域内部的时钟组件缓冲器驱动，例如BUFH和BUFR。这个时候有人会问什么是BUFG、BUFR和BUFH。

先来解释一下BUFG，这个比较简单，就是全局时钟网络时钟驱动器，如果时钟信号要走全局时钟网络，必须通过这个BUFG来驱动，BUFG可以驱动所有的CLB，RAM，IOB。spartan6 有一共有16个BUFG全局时钟线。virtex-6则一共有32个BUFG全局时钟线。参考文献链接见下面。

再看BUFH，BUFH驱动区域中的水平全局时钟树，Xilinx的时钟是通过时钟树来分布的，以spartan6时钟树为例，看下图。FPGA中间竖排是CMT时钟管理模块，就是PLL和DCM。全局时钟缓冲器BUFG是位于FPGA器件的中心位置，时钟的输入可以来自FPGA的上、下、左、右的bank，也可以来自PLL或DCM；16个BUFGMUX通过驱动vertical spine并经vertical spine 往南北方向传播，vertical spine就相当于时钟树的树干 ，根据这条线路，时钟水平延伸至HCLK时钟列并经HCLK时钟列提供了访问局部逻辑原语的路径，HCLK及所谓的水平时钟线，相当于树枝；每一个HCLK列左右两边各有16个水平时钟缓冲BUFH驱动左右逻辑资源。

以Virtex-6每一个HCLK列左右两边各有12个水平时钟缓冲BUFH驱动左右逻辑资源，即每个时钟区域有12个BUFH时钟线。如下图

最后解释BUFR，BUFR我在SPARTAN6的时钟资源手册UG382里没有看到，应该是没有啊。BUFR是区域时钟缓冲器，要进入区域时钟网络，必须例化BUFR。一个BUFR最多可以驱动三个相邻的时钟区域中的区域时钟。顶部和底部区域中BUFR只能连接相邻的一个时钟区域，也就是说，顶部的BUFR连接它所在的下面一个相邻区域。底部的BUFR只能连接它所在的上边一个相邻区域。因此，底部和顶部BUFR的作用区域为两个时钟区域。如下图，下图是共有8个时钟区域的FPGA，每个时钟区域最多包含6个BUFR时钟线。截止现在可以看到（紫色标注）Vertex器件的每个时钟区域，共有6个BUFR和12个BUFH。SPARTAN6每个时钟区域好像就有16个BUFH。最后声明一下BUFR不仅可以驱动IO，也可以驱动CLB,RAM。下面接收的BUFIO只能驱动IOB模块。BUFR还可以1-2-4-8分频。

最后说一下BUFIO,BUFIO是用来驱动I/O列内的专用时钟网络，这个专用的时钟网络独立于全局时钟资源，适合采集源同步数据。BUFIO只能由位于同一时钟区域的Clock-Capable I/O驱动。一个时钟区域有4个BUFIO，其中的2个可以驱动相邻区域的I/O时钟网络。BUFIO不能驱动逻辑资源（CLB、BRAM等），因为I/O时钟网络只存在于I/O列中。

具体这些个时钟组件BUF怎么用，我还没实践，先对这些BUF概念理解一下，仅供大家参考。小弟初学，肯定有理解不对的地方，大家请指正。

参考文献的链接：

http://xilinx.eetrend.com/blog/1957

http://blog.sina.com.cn/s/blog_bff0927b010173bp.html

http://www.tools138.com/front/article/queryById.htm?id=417885