Spartan-6的时钟资源、全局时钟缓冲器/多路复用器

时钟资源

时钟布线资源具有高速、低SKEW的特点，它对系统设计非常重要，即使系统速率不高，也应该关注时钟设计，以消除潜在的时钟危险。Spartan-6器件包含16个全局时钟资源和40个I/O区域时钟资源。全局时钟用于系统时钟，而I/O区域时钟专用于I/O串行/解串（ISERDES和OSERDES）设计。

Spartan-6时钟资源包含以下4种。

全局时钟输入引脚（GCLK）。局时钟多路复用器。I/O时钟缓冲器。时钟布线网络。

包括由BUFGMUX驱动的全局时钟网络和由I/O时钟缓冲器（BUFIO2）、PLL时钟缓冲器（BUFPLL）驱动的I/O区域时钟网络。

一、时钟输入

每个Spartan-6有32个全局时钟输入引脚，分布在FPGA的四周。时钟输入引脚在片上的分布图如图2-5所示。时钟输入引脚接收外部时钟信号，直接连接片内的DCM/PLL/BUFGMUX/BUFIO2。时钟输入引脚不连接时钟时，用作普通I/O。

一个差分时钟输入需要两个全局时钟输入。成对的时钟输入在标号上是连续的，例如，GCLK0和GCLK1是差分对，GCLK20和GCLK21是差分对。每个全局时钟缓冲器有两个时钟输入，Spartan-6支持最多16对的差分全局时钟输入。

设计中的时钟输入引脚连接IBUFG原语，通常综合工具会分析设计，自动将顶层时钟引脚推演为与IBUFG相连。如果需要更多IBUFG的控制功能，可以通过例化IBUFG的方式，将IBUFG的I端口连到顶层端口，将O端口连接到DCM、BUFG或通用逻辑。

图2-5 时钟输入引脚片上分布图

HDL代码中例化全局输入缓冲器（IBUFG）的原语参见表2-6。

表2-6 全局输入缓冲器（IBUFG）的原语

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全局时钟缓冲器/多路复用器

Spartan-6的时钟缓冲器/多路复用器（BUFG或BUFPLL）可以直接驱动时钟输入信号到时钟线上，或者通过多路复用器在两个不相关的信号甚至异步时钟信号中切换。

全局时钟缓冲器的原语如表2-7所示。

表2-7 全局时钟缓冲器/多路复用器的原语

(1) BUFGMUX。

BUFGMUX可以作为一个BUFG，或者作为两个全局时钟源的多路选择器在两个时钟源之间切换。BUFGMUX只驱动全局时钟布线资源。通用布线资源也能驱动FPGA逻辑触发器上的时钟输入，但是通常不推荐使用，因为通用布线资源有较高的SKEW。

如图2-6所示，BUFGMUX是具有两个时钟输入I1 和I0、一个时钟输出O和一条选择线S的时钟缓冲器，可以消除两个时钟源之间切换时产生毛刺信号。选择线S必须满足建立时间要求，违反这一建立时间可能导致毛刺信号。

图2-6 BUFGMUX原语

选择线S翻转选择另一个时钟源输出时，输出保持在一个非活动态直到下一个有效时钟沿到来。当两个时钟切换时，输出电平可以为高电平或低电平，缺省为低电平。交叉解耦寄存器确保了BUFGMUX 输出不会产生一个时钟脉冲边沿。
当S输入改变时，输出保持为Low，直到另一（待选）时钟从High 转为Low。然后，新的时钟开始驱动输出，如表2-8 所示，由于输入第一个低到高的跳变输出不翻转，所以，输出不会比最短输入时钟脉冲短。

S输入为低，选择时钟输入I0；S输入为高，选择时钟输入I1。BUFGMUX还具有内置可编程极性，等效于交换I0和I1。每个触发器可以对时钟信号进行极性设置，确定上升沿或下降沿触发，避免产生两个不同的时钟信号。

表2-8 BUFGMUX功能表

(2) BUFGMUX_1。

BUFGMUX_1和BUFGMUX功能相同，区别在于BUFGMUX_1对上升沿敏感，并且在输入切换之前保持为High。

(3) BUFG。

如图2-7所示，BUFG其实就是具有一个时钟输入和一个时钟输出的时钟缓冲器，它也是Virtex 和Spartan器件中时钟缓冲器的通用原语。

图2-7 BUFG的原语

(4) BUFGCE 和BUFGCE_1。

BUFGCE是具有一个时钟输入、一个时钟输出和一条时钟使能线的时钟缓冲器。当时钟使能CE为高，输入I 经缓冲器输出；当CE为低（非激活状态），输出O为低。其原语如图2-8所示。

图2-8 BUFGCE的原语

BUFGCE_1与BUFGCE功能相同，不同的是，当时钟使能CE为低时，输入I 经缓冲器输出；当CE为高（非激活状态），输出O为高。

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