主要参考了https://www.eefocus.com/liu1teng/blog/12-02/237897_4533d.html 、Xilinx UG471、UG472以及Xilinx Forum上的一些问答,在此一并表示感谢。

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本文主要用来随意记录一下最近在为手头的FPGA项目做约束文件时候遇到的一点关于FPGA专用时钟管脚相关的内容,意在梳理思路、保存学习结果、以供自己日后以及他人参考。

起因是在做约束文件中的时序例外约束部分的内容的时候,发现很多单位之前的FPGA项目中的约束文件里经常出现的一句时序例外约束是:

set_property CLOCK_DEDICATED_ROUTE FALSE [get_nets NETS_NAME_IBUF]

  

约束的对象往往是除了sys_clk之外的、由外部引入作为一些通信接口比如SPI或者MDIO接口的时钟管脚的IBUF线。

如果不加这个约束,执行implement的时候往往就会报error或者critical warning、内容中也会提到加上这个约束的话、就会将严重警告或者错误降级为普通warning,但是一直没搞明白这到底是怎么回事,所以这两天翻阅文档和论坛,算是弄清了个大概。

原来FPGA的管脚上有一类专用的时钟管脚、他们一般用于将外部的时钟信号引入FPGA、并在FPGA module中使用这些引入的时钟信号。但是如果设计时管脚分配没做好、或者管脚不够用了,那么就有可能将本该接入专用时钟管脚(或者叫做全局时钟管脚)的信号,接到了普通IO口上,这样只能通过添加CLOCK_DEDICETED_ROUTE FLASE绕过PAR的检查,但是没有解决根本问题。

在日常接触较多的Xilinx 7系列FPGA芯片上,Xilinx论坛上的工作人员对于这一点是这样解释的:

也就是说,必须使用片上的MRCC或者SRCC引脚来把外部时钟信号引入FPGA、然后再在FPGA上使用这些引入的时钟。

对于这二者的含义和前后级连接,在UG472的table1-1中有详细说明:

Xilinx FPGA的专用时钟引脚及时钟资源相关-LMLPHP

关于这二者的区别,在xilinx forum的https://forums.xilinx.com/t5/Embedded-Processor-System-Design/MRCC-or-SRCC/m-p/787546

的下面的回答中进行了详细说明:

另外在https://forums.xilinx.com/t5/Other-FPGA-Architectures/LVDS-CLK-P-N-be-routed-to-MRCC-SRCC-or-regular-differential-IOs/m-p/913220下的回答中也提到了:

另外作者还提到了:

这里也就是说,如果需要将外部时钟引入FPGA、但是不会在FPGA的module内部将该信号作为时钟去使用、而只是将这个引入的时钟做一个relay或者说forward,那么就不需要将其接到MRCC/SRCC管脚(虽然这两类管脚在一般情况下、不做时钟引入的管脚的时候、也可以作为普通IO来使用)、而只用接到任何一个普通的IO即可。

这里还注意到的是、如果做时钟中继、使用的方案是选用ODDR-OBUFDS,这二者在UG471文档中有说明。

UG471-P128:

此外,在UG472的table2-1中,对不同应用场合下、时钟输入之后的各类BUF的连接方式进行了说明,包括各种常见的clk buffer:

clock management tiles (CMT)

Global clock buffers (BUFGCTRL, simplified as BUFG throughout this user guide).BUFGs do not belong to a clock region and can reach any clocking point on the device.

horizontal clock buffer (BUFH/BUFHCE)

clock enable circuit (BUFHCE)

I/O clock buffer (BUFIO)

regional clock buffer (BUFR)

multi-clock region buffers (BUFMR)

另外在https://www.eefocus.com/liu1teng/blog/12-02/237897_4533d.html中的博文中提到了:

这篇博文是2012年的,距离现在已经略久远,所以关于BUFG的延时数据、在现在看起来有点不可思议、直觉上觉得太大了点、尽管作者的这个10ns的数据包含了从pad-IBUFG(可能是IBUFG,也可能是其他)-BUFG的整个延时。查阅现在使用的xilinx 7 系列FPGA芯片的ds181手册、在Clock Buffers and Networks一小节的内容中找到了BUFG的delay,如下图所示:

Xilinx FPGA的专用时钟引脚及时钟资源相关-LMLPHP

根据不同速度等级的芯片、这个延时不尽相同、大概在0.1ns左右。这里的Tbccko_o对应的就是UG472-Figure2-6中的BUFG的输入输出延时、如下图所示:

Xilinx FPGA的专用时钟引脚及时钟资源相关-LMLPHP

另外博文中还提到:

对应现在使用的7series FPGA中、也就是时钟BUFG+MMCM来实现时钟的相位调整。

关于DCM,MMCM和PLL的发展历史和区别,除了参阅UG472之外、在xilinx forum的回答下https://forums.xilinx.com/t5/Welcome-Join/DCM-MMCM-and-PLL/m-p/654372有详细说明:

05-19 12:40