把握DCM、PLL、PMCD 和MMCM 知識是穩(wěn)健可靠的時鐘設計策略的基礎。

賽靈思在其FPGA 中提供了豐富的時鐘資源，大多數(shù)設計人員在他們的FPGA 設計中或多或少都會用到。不過對FPGA設計新手來說， 什么時候用DCM、PLL、PMCD 和MMCM 四大類型中的哪一種，讓他們頗為困惑。賽靈思現(xiàn)有的FPGA 中沒有一款同時包含這四種資源（見表1）。

這四大類中的每一種都針對特定的應用。例如，數(shù)字時鐘管理器（DCM）適用于實現(xiàn)延遲鎖相環(huán)（DLL）、數(shù)字頻率綜合器、數(shù)字移相器或數(shù)字頻譜擴展器。DCM 還是鏡像、發(fā)送或再緩沖時鐘信號的理想選擇。另一種時鐘資源相位匹配時鐘分頻器（PMCD） 可用于實現(xiàn)相位匹配分配時鐘或相位匹配延遲時鐘。

鎖相環(huán)（PLL）和混合模式時鐘管理器（MMCM）處理的工作有許多是相同的，比如頻率綜合、內外部時鐘抖動濾波、時鐘去歪斜等。這兩種資源也可用于鏡像、發(fā)送或再緩沖時鐘信號。

在深思設計實現(xiàn)細節(jié)時，把這些通常用法記在心里，有助于理清時鐘選擇的思路。對于長期產品發(fā)展規(guī)劃而言，在制定合適的時鐘策略時，應考慮各個器件系列之間的兼容性。下面讓我們深入了解一下這些時鐘資源。

您可以使用DCM 將時鐘源的輸入時鐘信號相乘，生成高頻率時鐘信號。與此類似，可以將來自高頻率時鐘源的輸入時鐘信號相除，生成低頻率時鐘信號。

數(shù)字時鐘管理器
顧名思義，數(shù)字時鐘管理器（DCM）是一種用于管理時鐘架構并有助于時鐘信號成形和操控的模塊。DCM 內含一個延遲鎖相環(huán)（DLL），可根據(jù)輸入時鐘信號，去除DCM 輸出時鐘信號的歪斜，從而避免時鐘分配延遲。

DLL 內含一個延遲元件和控制邏輯鏈路。延遲元件的輸出是輸入時鐘延遲所得。延遲時間取決于延遲元件在延遲鏈路中的位置。這種延遲體現(xiàn)為針對原始時鐘的相位改變或相移，這就是所謂的 “數(shù)字相移”。圖1 所示的即為Virtex-4 器件中的典型DCM 模塊。根據(jù)Virtex-4 FPGA 用戶指南（UG070，2.6版本）的介紹，Virtex-4 中有三種不同的DCM 原語。

一般來說，DLL 與PLL 類似。但與PLL 不同的是DLL 不含壓控振蕩器（VCO）。PLL 會一直存儲相位和頻率信息，而DLL 只存儲相位信息。因此，DLL 略比PLL 穩(wěn)定。DLL 和PLL 這兩種類型都可以使用模擬和數(shù)字技術設計，或者混合兩種技術設計。但賽靈思器件中的DCM 采用全數(shù)字化設計。

由于DCM 可以在時鐘路徑上引入延遲，比如您就可使用DCM 可以精確地為DRAM 生成行和列訪問選通信號的時序。與此類似，數(shù)據(jù)總線上的各個數(shù)據(jù)位可以在不同的時間到達。為了正確對數(shù)據(jù)位采樣，接收端的時鐘信號必須適當?shù)嘏c所有數(shù)據(jù)位的到達保持同步。如果接收器使用發(fā)射時鐘，可能會要求延遲從發(fā)送端到接收端的時鐘信號。

有時設計可能需要一個更高的時鐘頻率來運行FPGA 上的邏輯。但是，只有低頻率輸出的時鐘源可以用。此時可以使用DCM 將時鐘源的輸入時鐘信號相乘，生成高頻率時鐘信號。與此類似，可以將來自高頻率時鐘源的輸入時鐘信號相除，生成低頻率時鐘信號。這種技術稱為“數(shù)字頻率綜合”。

設計人員使用擴頻時鐘并通過調制時鐘信號來降低時鐘信號的峰值電磁輻射。未經調制的時鐘信號的峰值會產生高電磁輻射。但經調制后，電磁輻射被擴展到一系列時鐘頻率上，從而降低了所有頻點的輻射。一般來說，如果需要滿足一定的最大電磁輻射要求和在FPGA 上執(zhí)行高速處理的時候（比如說通信系統(tǒng)中接收器使用的解串器），就需要使用擴頻時鐘。因此，F(xiàn)PGA 中的DCM 將乘以輸入擴頻時鐘信號，在內部生成高頻時鐘信號。DCM 的輸出必須準確地跟隨擴頻時鐘，以保持相位和頻率對齊并更新去歪斜和相移。DCM 相位和頻率對齊的惡化會降低接收器的歪斜裕量。

建立時鐘的鏡像需要將時鐘信號送出FPGA 器件，然后又將它接收回來?？梢允褂眠@種方法為多種器件的板級時鐘信號去歪斜。DCM 能夠把時鐘信號從FPGA 發(fā)送到另一個器件。這是因為FPGA 的輸入時鐘信號不能直接路由到輸出引腳，沒有這樣的路由路徑可用。如果僅需要發(fā)送時鐘信號，那么使用DCM 將時鐘信號發(fā)送到輸出引腳，可以確保信號的保真度。另外也可選擇在時鐘信號發(fā)送之前，將DCM 輸出連接到ODDR 觸發(fā)器。當然也可以選擇不使用DCM，僅使用ODDR 來發(fā)送時鐘信號。往往時鐘驅動器需要將時鐘信號驅動到設計的多個組件。這會增大時鐘驅動器的負荷，導致出現(xiàn)時鐘歪斜及其它問題。在這種情況下，需要采用時鐘緩沖來平衡負載。

時鐘可以連接到FPGA 上的一系列邏輯塊上。為確保時鐘信號在遠離時鐘源的寄存器上有合適的上升和下降時間（從而將輸入輸出時延控制在允許的范圍內），需要在時鐘驅動器和負載之間插入時鐘緩沖器。DCM 可用作時鐘輸入引腳和邏輯塊之間的時鐘緩沖器。

最后，還可以使用DCM 將輸入時鐘信號轉換為差分I/O 標準信號。例如，DCM 可以將輸入的LVTTL 時鐘信號轉換為LVDS 時鐘信號發(fā)送出去。

相位匹配時鐘分頻器
設計人員可使用相位匹配時鐘分頻器（PMCD）來生成相位匹配的分頻輸入時鐘信號。這與分頻時鐘的DCM 頻率綜合相似。PMCD 還能生成設計中相位匹配但有延遲的時鐘信號。在后一種情況下，PCMD 能夠在輸入時鐘信號和其它PMCD 輸入時鐘信號之間保持邊緣對齊、相位關系和歪斜。與DCM 不同的是，在分頻器的值可配置的情況下，賽靈思器件中現(xiàn)有的PMCD 生成的時鐘信號僅按2、4 和8 分頻。這意味著PMCD 生成的時鐘信號的頻率是輸入時鐘信號的1/2、1/4 和1/8。在如Virtex-4FPGA 這樣的賽靈思器件中，PMCD 緊鄰DCM 并與其位于同一列上。每一列有兩個PMCD-DCM 對。因此DCM 的輸出可以驅動PMCD 的輸入。

由于DCM 還負責處理去歪斜，因此只要不需要去歪斜時鐘，設計人員就可以使用不帶DCM 的PMCD。通過專用引腳，還可以把一列中的兩個PMCD連接起來。圖2 是Virtex-4 器件中的PMCD 原語。詳細內容請參閱Virtex-4FPGA 用戶指南（UG070，2.6 版本）。

混合模式時鐘管理器
另一種類型的時鐘資源——混合模式時鐘管理器（MMCM），用于在與給定輸入時鐘有設定的相位和頻率關系的情況下，生成不同的時鐘信號。不過與DCM 不同是，MMCM 使用PLL 來完成這一工作。Virtex-6 FPGA 中的時鐘管理模塊（CMT） 有兩個MMCM， 而Virtex-7 中的CMT 有一個MMCM 和一個PLL。Virtex-6 器件中的MMCM 沒有擴頻功能，因此輸入時鐘信號上的擴頻不會被濾波，將直接被傳送給MMCM輸出時鐘。但Virtex-7 FPGA 的MMCM卻有擴頻功能。

Virtex-6 FPGA 中的MMCM 要求插入一個校準電路，以便在用戶復位或用戶斷電后確保MMCM 正確運行。賽靈思ISE 設計套件11.5 版本及更高版本能夠在設計的MAP 階段自動插入必要的校準電路。若使用賽靈思ISE 的更早版本，則需要使用賽靈思技術支持部提供的設計文件手動插入校準電路。最后需要注意的是，在本移植該設計，以便用ISE11.5 版本或更高版本實現(xiàn)時，必須手動移除校準電路，或通過適當設置每個MMCM 上的綜合屬性，禁用自動插入功能。詳細介紹請參閱賽靈思答復記錄AR#33849。

對7 系列器件中的MMCM 就不存在這樣的問題，因為這些FPGA 只得到ISE 13.1 版本和更高版本以及新型Vivado 設計套件的支持。Virtex-6 系列中提供的MMCM 間專用走線可便于用戶將全局時鐘資源用于設計的其余部分。

圖3 顯示了Virtex-6 FPGA 中的MMCM 原語。各個端口的詳細介紹請參閱Virtex-6 FPGA 時鐘資源用戶指南（UG362，2.1 版本）。圖4 顯示了賽靈思7 系列FPGA 中的MMCM 原語，有關詳細介紹請參閱7 系列FPGA 時鐘資源用戶指南（UG472，1.5 版本）。

鎖相環(huán)
設計人員使用鎖相環(huán)（PLL）主要用于頻率綜合。使用一個PLL 可以從一個輸入時鐘信號生成多個時鐘信號。結合DCM 使用，還可以用作抖動濾波器。Spartan-6、Virtex-5 和7 系列FPGA 中都提供有PLL。Spartan-6 和Virtex-5 中
均有專門的“DCM 到PLL”和“PLL 到DCM”走線。Spartan-6 和Virtex-5 中的PLL 輸出是非擴頻的。對這兩種器件而言，如果設計使用多個不同時鐘，都可以用PLL 替代DCM。PLL 時鐘輸出具有寬范的配置范圍，而DCM 的輸出是預定的，不可配置。PLL 和DCM 的選擇還是取決于設計的要求。不過如果相移是必需的， 就應該明確地選擇DCM。

同時，7 系列器件中的PLL 所實現(xiàn)的功能沒有MMCM 所實現(xiàn)的多。因此雖然MMCM 是建立在PLL 架構之上，但7 系列器件中也有獨立的PLL。圖5顯示了Virtex-5 FPGA 中的PLL 原語。各個端口的詳細介紹請參閱Virtex-5 用戶指南（UG190，5.4 版本）。

設計移植
掌握四種主要的時鐘資源之間的差異及其在不同器件系列中的可用性非常重要。同時，在不同的系列中，相似的資源（比如DCM）可能在功能上并不完全相同。例如，Spartan-6 FPGA 中的DCM 支持擴頻時鐘， 但Virtex-5 和Virtex-5 器件中的DCM 就不支持。

在規(guī)劃未來設計向更高端系列移植時，除了確保功能，為給定設計選擇正確的時鐘資源也很重要。如表1 所示，Virtex-6 和7 系列中的MMCM 能夠與之前系列中的DCM 向后兼容。但需要判斷在多大程度上支持向后兼容性，因為所有這些時鐘資源都具有多功能性，提供與時鐘相關的多種不同功能。在制定產品長期發(fā)展規(guī)劃時，必須對兼容性了如指掌。