【惊喜揭秘】xilinx 7系列FPGA时钟区域内部结构大揭秘，让你轻松掌握！

  本文对xilinx 7系列FPGA的时钟布线资源进行讲解，内容是对ug472手册的解读和总结，需要该手册的可以直接在xilinx官网获取，或者在公众号回复“xilinx手册”即可获取。

1、概括

  7系列器件根据芯片大小不同，会有8至24个时钟区域，如图1所示，图中的每个虚线框就表示一个时钟区域，每个时钟区域包含50个CLB和50个IO。

图1 7系列FPGA时钟区域划分

  由上图可知，FPGA被主时钟网络(Clock Backbone)分为左右两部分，在主时钟网络中包含32个全局时钟资源BUFG，32个BUFG被水平时钟线(Horizontal Center)划分为上下两部分，每部分包含16个BUFG，上下两部分的BUFG不能混用。

  从左向右，I/O 列(I/O Column)就是FPGA输入输出管脚的资源，包含前文介绍过的IOB、ILOGIC、OLOGIC等资源。位于I/O列旁边的CMT，可以提供时钟频率合成、去偏差和抖动滤波功能。每个CMT包含一个混合模式时钟管理器(MMCM)和一个锁相环(PLL)。最右侧就是高速收发器所在列。

  注意水平相邻的两个时钟区域通过水平时钟行(Horizontal Clock Row)连接，也就是BUFH。把图1中阴影部分的时钟区域放大，得到结果如图2所示。每个时钟区域包含50个CLB和50个IO，在区域内部又被水平时钟行(Horizontal Clock Row)分为上、下两部分，各自包含25个CLB和25个IO管脚。

图2 时钟区域的基本视图

  由图2可知，时钟区域内部主要包含全局时钟缓冲器(BUFG)、行时钟缓冲器(BUFH)、区域时钟缓冲器(BUFR)、IO时钟缓冲器(BUFIO)、时钟输入管脚CC，BUFMR用于驱动垂直相邻时钟区域的BUFR和BUFIO。

  后文主要就是对上面这些内容进行详细讲解，最后在通过一张图进行总结，以后只需要通过最后的图就知道7系列的FPGA的时钟区域内各个缓冲器的使用规则以及时钟输入管脚的时钟规则。

2、时钟输入管脚

  用户时钟必须通过专用时钟的差分引脚输入FPGA，专用时钟引脚输入的信号可以对FPGA内部全局、区域时钟资源进行专用高速访问，时钟信号不能通过通用IO进入FPGA。

  每个I/O bank包括50个I/O引脚，在每个I/O列的每个I/O bank的50个I/O引脚中，有四个支持时钟的输入引脚对CC (总共8个引脚)，2对MRCC和2对SRCC时钟管脚，如图3所示。水平时钟行(Horizontal Clock Row)的上、下两部分各包含一对MRCC差分时钟管脚和一对SRCC时钟管脚。

图3 时钟区域资源

  这也可以从FPGA的原理图中得到证实，图4是xilinx FPGA的一个BANK原理图。在中部包含四个SRCC和MRCC的差分时钟输入引脚，IO_L11P_T1_SRCC就表示SRCC的P输入端。

图4 时钟输入管脚的原理图

  每个支持时钟的输入管脚可以连接到PCB上的差分或单端时钟，单端时钟输入必须分配给支持时钟的输入差分引脚对的P端。如果单端时钟连接到差分时钟引脚对的P端，则N端不能用作另一个单端时钟引脚，只能用作用户I/O。时钟输入管脚也可以被用作任何I/O标准(包括差分I/O标准)的通用IO使用。

  SRCC管脚可以驱动当前时钟域的IO时钟缓冲器(BUFIO)、区域时钟缓冲器(BUFR)、行时钟缓冲器(BUFH)、位于同部分(如果SRCC位于FPGA下半部分，那就只能驱动下半部分的BUFG)的全局时钟缓冲器(BUFG)、相同或相邻时钟区域的CMT。

  MRCC具有SRCC所有功能，且可以驱动多时钟区域缓冲器(BUFMR)来访问最多三个上下垂直相邻的时钟区域的BUFR和BUFIO，在后文讲解BUFR的时候会进行详细讲解。

  如果一个时钟驱动一个CMT，那么时钟输入管脚和CMT必须处于同一个时钟区域。

  单个时钟输入可以驱动多达三个CMT，但时钟的输入管脚必须与中间的CMT处于同一时钟区域，其余两个CMT必须位于上下相邻的时钟区域。

  当时钟输入管脚驱动同一列中其它时钟区域的CMT，但不驱动同一时钟区域的CMT时，需要设置CLOCK_DEDICATED_ROUTE = BACKBON。这种情况下，CMT无法将输出时钟与输入时钟正确对齐。

  这里主要是了解FPGA每个IO bank的专用时钟管脚有哪些，不同时钟管脚输入的时钟信号能够驱动的时钟资源有什么差异，单端时钟应该从什么管脚进入FPGA就行了。

3、全局时钟缓冲器(BUFG)

  从此开始就会涉及一些原语的介绍，但是都比较简单，继续往下看。

  7系列FPGA时钟树专为低偏斜和低功耗操作而设计，任何未使用的分支都被断开。时钟树也可以用来驱动逻辑资源，如复位或时钟使能，主要用于高扇出网络。

  每个7系列器件都有32条全局时钟线，BUFG可以被上/下同一部分的MRCC、SRCC、CMT、BUFG、BUFR、GT高速收发器时钟、还有计数器分频得到的时钟(不推荐)驱动。BUFG的输出可以驱动CMT、BUFH、高速收发器时钟信号、同一部分中的BUFG、CLB及IOB等所有时钟区域的时钟信号和控制信号。

  全局时钟缓冲器(BUFGCTRL，简称BUFG)驱动全局时钟线，必须用于访问全局时钟线。使用时钟区域中的12条水平时钟线，每个时钟区域最多支持12条全局时钟线。BUFG和BUFH会共用同一个时钟区域里面的12条水平时钟线。

  可以通过vivado中芯片的时钟走线观察，如图5所示，一个区域会有12条水平的时钟线。

图5 时钟区域的12条水平时钟线

  全局时钟缓冲器相关的原语是比较多的，包括BUFGCTRL、BUFG、BUFGCE、BUFGCE_1、BUFGMUX、BUFGMUX_1、BUFGMUX_CTRL。其实后面6个都是通过BUFGCTRL演化而来的，常用的就是BUFG，所以本文就讲解BUFGCTRL的功能以及怎么演化为BUFG的，其余原语就是使能或者选择时钟的功能，可以根据功能就可以得知具体怎么演化的了。

3.1、BUFGCTRL

  BUFGCTRL原语可以用于切换两个异步时钟，如图6是BUFGCTRL原语的框图，I0和I1是两个时钟输入端口，而S0、S1、CE0、CE1、IGNORE0、IGNORE1是相应的控制信号，O是输出时钟端口。

图6 BUFGCTRL原语框图

  对应原语如下所示：

   BUFGCTRL #(
      .INIT_OUT(0),           // Initial value of BUFGCTRL output ($VALUES;)
      .PRESELECT_I0("FALSE"), // BUFGCTRL output uses I0 input ($VALUES;)
      .PRESELECT_I1("FALSE")  // BUFGCTRL output uses I1 input ($VALUES;)
   )
   BUFGCTRL_inst (
      .O(O),             // 1-bit output: Clock output
      .CE0(CE0),         // 1-bit input: Clock enable input for I0
      .CE1(CE1),         // 1-bit input: Clock enable input for I1
      .I0(I0),           // 1-bit input: Primary clock
      .I1(I1),           // 1-bit input: Secondary clock
      .IGNORE0(IGNORE0), // 1-bit input: Clock ignore input for I0
      .IGNORE1(IGNORE1), // 1-bit input: Clock ignore input for I1
      .S0(S0),           // 1-bit input: Clock select for I0
      .S1(S1)            // 1-bit input: Clock select for I1
   );

  几个信号对应的真值表如下表1所示：

表1 BUFGCTRL真值表

S0	CE0	S1	CE1	O
1	1	X	0	I0
1	1	0	X	I0
0	X	1	1	I1
X	0	1	1	I1
1	1	1	1	保持

  当S0和CE0为高电平且S1或CE1有低电平时，将时钟I0输出，如果S1、CE1同时为高电平且S0或CE1为低电平时，将时钟I1输出。如果四个信号全为高电平，则保持之前的输出不变。

  对应的时序图如图7所示，在I0的1处之前，S0和CE0为高电平，S1和CE1为低电平，则输出时钟I0。在1处S0、CE0、S1、CE1电平翻转，但是输出信号O不会立即将时钟信号I1输出，而是要检测到I0和I1的下降沿之后，在I1的上升沿3处后面才会把I1输出。

  那如果不想让BUFGCTRL在S和CE信号变化后检测I0和I1的下降沿，该怎么办？只需要把IGNORE0或者IGNORE1信号拉高即可，如图7所示，把IGNORE1拉高，在5处S0、CE0、S1、CE1电平翻转，后面就只检测I0的下降沿，而无需检测I1的下降沿。

图7 BUFGCTRL时序图

  BUFGCTRL有三个参数，其中PRESELECT_I0和PRESELECT_I1用于设置I0和I1在器件运行前的初始状态，一般默认即可。INIT_OUT是用来设置BUFGCTRL在切换时是检测I0和I1有效沿，以及检测到相应沿时输出的电平状态，默认为0。

  图7中INIT_OUT为0，在切换时钟过程中，在2处检测到I0下降沿，然后端口O输出低电平。

  虽然S和CE均用于选择所需输出，但对于无毛刺开关，仅建议使用S。

3.2、BUFG

  BUFG只是一个时钟缓冲器，具有一个时钟输入和一个时钟输出。此原语基于BUFGCTRL，其中一些引脚连接到逻辑高电平或低电平。

  图8是BUFG的框图，将BUFGCTRL的S1、CE1、IGNORE0接低电平，S0、CE0、I1、IGNORE1接高电平，此时就会把I0作为输出，也就是BUFG的功能了。

图8 BUFG框图

  BUFG的原语如下所示，这也是最常用的，把时钟信号引入全局时钟网络。

   BUFG BUFG_inst (
      .O(O), // 1-bit output: Clock output
      .I(I)  // 1-bit input: Clock input
   );

图9是BUFG的时序图。

图9 BUFG时序图

  至于其余的BUFGCE、BUFGCE_1、BUFGMUX、BUFGMUX_1、BUFGMUX_CTRL也都是把BUFGCTRL的几个输入信号接固定电平演化得到的，此处就不再赘述，需要详细了解的可以直接查看数据手册。

4、水平时钟缓冲器(BUFH/BUFHCE)

  水平时钟缓冲器(BUFH/BUFHCE)允许通过水平时钟行访问单个时钟区域中的全局时钟线。

  BUFH可以被同一或水平相邻时钟区域的SRCC、MRCC、CMT、BUFG、GT时钟、互联逻辑(不建议)驱动，BUFH的输出可以驱动同一时钟区域的CMT、GT时钟、该区域中任意时钟节点(CLB、IOB、RAM、DSP等时钟节点)， 相当于收到区域限制的BUFG。

  要使用BUFH，逻辑必须适合水平相邻的两个区域(左和右)，如图10所示。它还可以用作时钟使能电路(BUFHCE )，独立使能或禁用跨越单个时钟区域的时钟，从而实现潜在的节能。与驱动两个相邻区域的BUFG相比，BUFH的功耗和抖动更低。

图10 BUFH示例

  这个其实比较有用，比如电路中某部分电路可能就在上电之后工作一段时间，经过这段时间后，就可以把该时钟的使能信号拉低，从而关闭该区域的时钟，降低功耗。

  使用每个时钟区域中的12条水平时钟线，每个时钟区域可以支持多达12个时钟。每个BUFH都有一个时钟使能引脚(CE )，允许动态关闭时钟。图11是BUFH的框图。

图11 BUFH框图

  BUFH对应原语模板如下所示：

   BUFH BUFH_inst (
      .O(O), // 1-bit output: Clock output
      .I(I)  // 1-bit input: Clock input
   );

   BUFHCE #(
      .CE_TYPE("SYNC"), // "SYNC" (glitchless switching) or "ASYNC" (immediate switch)
      .INIT_OUT(0)      // Initial output value (0-1)
   )
   BUFHCE_inst (
      .O(O),   // 1-bit output: Clock output
      .CE(CE), // 1-bit input: Active high enable
      .I(I)    // 1-bit input: Clock input
   );

  原语的输入和输出信号都比较简单，不再赘述，该原语包含两个参数，其中INIT_OUT表示初始化时BUFH输出电平，默认输出低电平。CE_TYPE用来表示使能端口与时钟的关系，是异步使能还是同步使能，默认为同步使能。

5、区域时钟缓冲器(BUFR)

  BUFR将时钟信号驱动到时钟区域内的专用时钟网，独立于全局时钟树。每个BUFR可以驱动其所在区域的四个区域时钟网，BUFR可以驱动I/O逻辑和逻辑资源(CLB、块RAM等)。

  BUFR可以被同一时钟区域的SRCC、MRCC、（MMCM . CLKOUT0~CLKOUT3）、时钟反馈CLKFBOUT、上下相邻时钟区域的BUFMR、通用互联(用户分频产生的时钟信号)驱动，BUFR输出可以驱动BUFG在该区域能驱动的所有节点、CMT、同部分的BUFG(不推荐)。

  BUFR能够产生相对于时钟输入的分频时钟输出，分频系数可以设置为1~8之间的整数。FPGA内部能够对时钟分频的资源就是锁相环和BUFR，锁相环需要经过全局时钟网络，延迟会比BUFR分频大很多，但是锁相环的分频会更加稳定。图12是BUFR的原语模型。

图12 BUFR原语模型

BUFR的原语模板如下所示：

   BUFR #(
      .BUFR_DIVIDE("BYPASS"),   // Values: "BYPASS, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8" 
      .SIM_DEVICE("7SERIES")  // Must be set to "7SERIES" 
   )
   BUFR_inst (
      .O(O),     // 1-bit output: Clock output port
      .CE(CE),   // 1-bit input: Active high, clock enable (Divided modes only)
      .CLR(CLR), // 1-bit input: Active high, asynchronous clear (Divided modes only)
      .I(I)      // 1-bit input: Clock buffer input driven by an IBUF, MMCM or local interconnect
   );

  BUFR的原语端口比较简单，I是输入时钟，O是输出时钟，CE是输出时钟使能，高电平有效。CLR用于分频逻辑异步清零，高电平有效，将输出设为低电平，不使用分频功能时不能使用该信号。要注意在使用过程中CE信号从无效变为有效后，必须将CLR拉高一次。

  该原语有一个分频的参数BUFR_DIVIDE，默认为BYPASS，不使用分频功能。注意分频系数设置为奇数时，输出时钟占空比不是50%，低电平持续时间会比高电平持续时间长一个输入时钟周期。

  下图是BUFR输出3分频的时序图，在1后面的时钟I上升沿，CE为高电平，此时输出时钟O输出高电平。由于采用3分频，所以时钟I前一个时钟周期BUFR输出高电平，然后输出两个时钟周期的低电平。在3处时钟I上升沿检测到CLR为高电平，则端口O输出低电平。

图13 BUFR输出3分频时序图

  BUFR还是比较简单，能够驱动一个时钟区域内的所有时序节点，并且能够对输入时钟信号进行分频，可以减小延时。但是可能会有疑问，为什么会有1分频这个选项？1分频不就是不进行分频吗？

  当参数BUFR_DIVIDE设置为BYPASS时，输出信号直接绕过BUFR内部分频器，导致输出信号的延时比分频后输出信号的延时小。

  如下图所示，ISERDES的CLK采用BUFR直接输入，而CLKDIV是MRCC经过BUFR分频后的时钟。如果两个BUFR输出时钟有效沿要对齐，提供CLK时钟的BUFR分频系数就只能设置为1，不能设置为BYPASS。

图14 驱动多时钟区域的BUFR

6、IO时钟缓冲器(BUFIO)

  前文提到的这些时钟路由资源，可以驱动时钟区域内的所有时钟节点，但是BUFIO只能驱动当前时钟区域的IO列中的时钟节点。

  除互联逻辑外，能够驱动BUFR的资源也能够驱动BUFIO，而BUFIO的输出只能驱动ILOGIC和OLOGIC的IO列中的时钟信号。

  下图能够很好说明BUFIO和BUFR的区别，BUFIO的输出只能驱动IO列里面的时钟端口，而BUFR拥有BUFIO所有功能且还能驱动当前时钟区域里的CLB、RAM、DSP的时序节点。

图15 BUFIO与BUFR的功能对比

  BUFIO驱动IO列的资源的延时相比BUFR、BUFG这些会更少，所以一般BUFIO与BUFR会一起使用，如下图所示，BUFIO用于驱动IO列中的时钟信号，而BUFR驱动该时钟区域内的其余时钟资源。这种方式在后续千兆网中会使用。

图16 BUFIO与BUFR使用方式

  BUFIO的原语模型如下图所示：

图17 BUFIO模型

  该原语的模板如下所示：

   BUFIO BUFIO_inst (
      .O(O), // 1-bit output: Clock output (connect to I/O clock loads).
      .I(I)  // 1-bit input: Clock input (connect to an IBUF or BUFMR).
   );

  原语很简单，就一个输入时钟，经过一定内部延时后输出。

7、多区域时钟缓冲器(BUFMR/BUFMRCE)

  用户时钟从MRCC或SRCC进入FPGA后，仅能驱动当前时钟区域里的BUFIO和BUFR。如果同时想要驱动上、下两个垂直相邻时钟区域里的BUFR或BUFIO，则需要使用BUFMR。只有MRCC进入的时钟信号可以使用BUFMR，SRCC进入的时钟信号不能使用BUFMR。

  BUFMR/BUFMRCE只能把同一时钟区域的MRCC或GT的时钟信号作为输入，而输出信号只能驱动垂直相邻三个时钟区域里面的BUFR和BUFIO，如下两图所示，两张图描述的内容相似。

图18 BUFMR/BUFMRCE使用

图19 BUFMR/BUFMRCE使用

  BUFMR/BUFMRCE的原语模型如下图所示：

图20 BUFMR模型

  BUFMR和BUFMRCE原语其实就相差一个使能引脚，其余没有区别，原语模板如下所示：

   BUFMR BUFMR_inst (
      .O(O), // 1-bit output: Clock output (connect to BUFIOs/BUFRs)
      .I(I)  // 1-bit input: Clock input (Connect to IBUF)
   );
   BUFMRCE #(
      .CE_TYPE("SYNC"), // SYNC, ASYNC
      .INIT_OUT(0)      // Initial output and stopped polarity, (0-1)
   )
   BUFMRCE_inst (
      .O(O),   // 1-bit output: Clock output (connect to BUFIOs/BUFRs)
      .CE(CE), // 1-bit input: Active high buffer enable
      .I(I)    // 1-bit input: Clock input (Connect to IBUF)
   );

8、总结

  前文对BUFG、BUFH、BUFR、BUFIO、BUFMR做了讲解，其实这些缓冲器的功能相似。

  1、BUFG功能最强大，每个FPGA最多只能有32个BUFG工作，32个BUFG被水平时钟线分为上下两部分，各16个BUFG，上半部分的BUFG不能驱动下半部分相关时钟节点。

  2、BUFH是能够被水平相邻时钟区域的SRCC、MRCC等资源驱动，能够驱动该时钟区域中BUFG能够驱动的时钟节点。

  3、BUFR是区域时钟缓冲器，能够驱动所在区域BUFG能驱动的时钟节点，并且能够对输入时钟进行分频输出，可以降低分频时钟延时。

  4、BUFIO只能驱动所在时钟区域中的IO列中ILOGIC、OLOGIC的时钟端口，延时也是最低的，最适合作为源同步时钟的处理。一般与BUFR组合使用，将延迟降低到最小。

  5、BUFMR可以把所在时钟区域的MRCC或GT时钟作为输入，输出信号可以驱动垂直相邻三个时钟区域的BUFR和BUFIO。

  上述所有资源都可以使用下图进行总结，下图是A7 FPGA的一个时钟区域各个时钟资源的分布。

图21 Artix-7 XC7A200T设备中的时钟区域，带GTP收发器和I/O组(右侧)

  经过前文讲解，该图可以对手册的一半内容进行总结，所以此处最后拿出来进行总结。

  首先一个时钟区域包括50个CLB，上图中HROW上面包含25个CLB，下面包含25个CLB，且HROW上半部分的IO列中包含25个IO管脚，下半部分也有25个IO管脚，均包含2对差分时钟专用引脚CC。

  IO列中包含BUFR和BUFIO，BUFIO的输出只存在IO列中，表示只能驱动IO列中的时钟资源，而BUFR输出还与CLB、RAM、DSP等时钟端口连接，表示可以驱动更多资源。

  BUFMR输出分别穿出该时钟区域，向上、下分别延伸，表示可以驱动垂直相邻上下区域的BUFR和BUFIO。

  BUFG和BUFH都是从主时钟网络中引出，通过HROW所在水平时钟行进入时钟区域，会共用一个时钟区域的12条水平时钟线。并且在该区域中，BUFG和BUFH能够驱动的时钟资源相同，都能够被CMT和GT的时钟信号驱动。

  时钟布线资源只是该手册的一大半内容，还有一半内容是对MMCM和PLL使用进行讲解，包括原语的使用及相关参数。

  这个手册很久之前就读过，那时候并没有单独调用这些资源使用，所以对BUFG、BUFH这些缓冲器的理解并不充分，甚至会混淆。最近在写以太网相关代码时，使用到了BUFIO、BUFR这些缓冲器，就重读了一遍手册，对一些重要的内容进行了总结。

  手册最后几页的图也可以说是精华所在吧，能够对前文的大部分内容进行总结，熟悉之后，只要看到这些图片就可以支道每个缓冲器的功能等等，不必记忆什么文字内容。