一、前言

Ultrascale是賽靈思開發(fā)的支持包含步進(jìn)功能的增強(qiáng)型FPGA架構(gòu)，相比7系列的28nm工藝，Ultrascale采用20nm的工藝，主要有2個(gè)系列：Kintex和Virtex。Ultrascale+采用16ns，有3個(gè)系列：Artix，Kintex，Virtex。不僅是工藝制程方面，在其他方面也存在較大改進(jìn)，如時(shí)鐘資源與架構(gòu)，本文將重點(diǎn)介紹Ultrascale的時(shí)鐘資源與架構(gòu)，Ultrascale+和Ultrascale大體上相似。

二、時(shí)鐘架構(gòu)

2.1 全局時(shí)鐘輸入

芯片外部的全局時(shí)鐘通過FPGA的全局時(shí)鐘輸入（GC）進(jìn)入到成對的差分時(shí)鐘引腳。在每個(gè)Bank內(nèi)都有4個(gè)GC，可以直接進(jìn)入到全局時(shí)鐘緩沖器，MMCM，PLL等。

2.2I/O bank

每個(gè)I/O bank都是處于一個(gè)單獨(dú)的時(shí)鐘區(qū)域中，包含了52個(gè)I/O引腳，還有4個(gè)全局時(shí)鐘GC輸入，4個(gè)GT。每個(gè)全局時(shí)鐘輸入引腳都可以連接到一個(gè)差分或單個(gè)時(shí)鐘輸入側(cè)，可以配置成任意的I/O標(biāo)準(zhǔn)，包含差分端口標(biāo)準(zhǔn)，并且有一個(gè)P側(cè)和N側(cè)，P側(cè)和N側(cè)是主從關(guān)系，P為主，N為從。

2.3時(shí)鐘軌道

從時(shí)鐘進(jìn)入方向兩個(gè)角度考慮，分為水平時(shí)鐘和垂直時(shí)鐘，通過水平時(shí)鐘結(jié)構(gòu)圖，看出時(shí)鐘架構(gòu)中組成有普通CR列，特殊CR(帶有PCIE，配置，系統(tǒng)監(jiān)視器)類，I/O列，GT列，HCS和物理時(shí)鐘。其中，CR(Clock Region)為時(shí)鐘區(qū)域，HCS（Horizontal Clock Spine）為水平時(shí)鐘脊。

CR和7系列的時(shí)鐘區(qū)域類似，包含了可配置邏輯塊CLBs，DSP，塊狀RAM，相關(guān)的時(shí)鐘。一個(gè)CR縱向上包含60個(gè)CLBs,24個(gè)DSP和12個(gè)塊狀RAMs,HSC將會水平穿過中間位置。

HCS包含了水平布線資源和水平分布資源，葉子時(shí)鐘緩沖器，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)互連資源，根時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò),時(shí)鐘緩沖器直接進(jìn)入HCS，每個(gè)HCS有24個(gè)水平分布式軌道和12個(gè)水平布線軌道。

鄰近輸入/輸出塊列是物理層塊PHY，它具有CMTs，全局時(shí)鐘緩沖器，全局時(shí)鐘多路選擇結(jié)構(gòu)，I/O邏輯管理功能。水平時(shí)鐘布線軌道和分布軌道在水平方向上驅(qū)動進(jìn)入各個(gè)時(shí)鐘區(qū)域CRs，垂直布線和分布軌道在垂直方向上驅(qū)動鄰近的時(shí)鐘域CRs，分布軌道可以被布線軌道或PHY中的時(shí)鐘單元直接驅(qū)動。I/O端口可以直接被PHY中的時(shí)鐘驅(qū)動或者是通過布線軌道來自鄰近的PHY，CMT包含了一個(gè)混合模式時(shí)鐘管理器MMCM和2個(gè)鎖相環(huán)PLLs。

垂直時(shí)鐘是在垂直方向上進(jìn)行驅(qū)動，在垂直方向上，沒一列時(shí)鐘域的中間位置都存在兩類時(shí)鐘軌道貫穿芯片：24條垂直布線軌道和24條垂直分布軌道，但在靠近GT列旁邊CR列中，則是在CR列中間兩側(cè)位置各12條垂直布線軌道和12條垂直分布軌道。

三、時(shí)鐘緩沖器

Ultrascale器件有三種全局時(shí)鐘緩沖器：BUFGCTRL,BUFGCE,BUFGCE_DIV，還有一種本地BUFCE_LEAF時(shí)鐘緩沖器，它可以驅(qū)動葉子時(shí)鐘從水平分布軌道到達(dá)器件的不同位置。BUFGCTRL可以生成其他類型如BUFGMUX, BUFGMUX1, BUFGMUX_CTRL和 BUFGCE_1。

PHY的全局時(shí)鐘包含了BUFGCTRL,BUFGCE,BUFGCE_DIV三類全局時(shí)鐘緩沖器，它們都能被鄰近I/O bank中的4個(gè)GC引腳驅(qū)動，也可被所屬PHY中的MMCM和PLL驅(qū)動。然后這些時(shí)鐘緩沖器驅(qū)動整個(gè)器件的布線軌道和分布軌道。每個(gè)PHY包含了24個(gè)BUFGCTRL,8個(gè)BUFGCE,4個(gè)BUFGCE_DIV，但只能同時(shí)使用其中的24個(gè)。

3類全局時(shí)鐘緩沖器的端口差異如下圖

3.1 BUFGCTRL

BUFGCTRL用于在兩個(gè)時(shí)鐘輸入源間進(jìn)行切換，結(jié)構(gòu)和選擇邏輯如下圖

控制端口選擇的真值表，其中最后一行Old Input是指在狀態(tài)獲取到之前的時(shí)鐘有效輸入值。

BUFGCTRL同時(shí)支持級聯(lián)，可級聯(lián)成環(huán)，如下圖所示

BUFGCTRL衍生出的其他幾個(gè)全局時(shí)鐘的原語輸入關(guān)系如下表：

3.2 BUFGCE_1

BUFGCE_1的端口相對簡單，只有1個(gè)輸入端口I，一個(gè)使能端口CE和和1個(gè)輸出端口O，BUFGCTRL將相應(yīng)的一些端口設(shè)置為高低電平也可實(shí)現(xiàn)BUFGCE_1的功能。

3.3 BUFGMUX和BUFGMUX_1

BUFGMUX有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端口，一個(gè)選擇端口和一個(gè)時(shí)鐘輸出端口，通過將BUFGCTRL的一些輸入引腳連接邏輯高電平或低電平，關(guān)系如下圖

BUFGMUX_1是上升沿敏感，高電平保持，BUFGMUX和BUFGMUX_1的位置都可以進(jìn)行手動約束。

3.4 BUFGMUX_CTRL

BUFGMUX_CTRL也是2個(gè)時(shí)鐘端口輸入，1個(gè)選擇端口，一個(gè)時(shí)鐘輸出端口的時(shí)鐘緩沖器，和BUFGCTRL的關(guān)系如下圖，

BUFGMUX_CTRL用S端口作為選擇端口，S端口可以在任何時(shí)候切換，也不會造成干擾。 S端口的建立和保持時(shí)間取決于輸出端口在切換時(shí)鐘前是否通過一個(gè)之前選擇時(shí)鐘的額外脈沖信號。

3.5 BUFCE_LEAF

BUFCE_LEAF是一個(gè)有使能端口CE，可以讓葉子單元驅(qū)動水平的HCS行，也是一個(gè)葉子時(shí)鐘緩沖器的交匯口，驅(qū)動帶有單個(gè)時(shí)鐘輸入的不同區(qū)域。當(dāng)使能端口CE為低電平時(shí)輸出為0，高電平時(shí)輸出為輸入I

3.6 BUFGCE_DIV

BUFGCE_DIV有3個(gè)輸入端口I、使能CE、清零CLR和輸出端口O，可以直接驅(qū)動布線軌道和分布軌道，并且可以進(jìn)行時(shí)鐘的1-8分頻。BUFGCE_DIV的輸入端口和屬性如下

BUFG_GT是被高速收發(fā)器GT和射頻SOC中的ADC/DAC所驅(qū)動，BUFG_GT是這些模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動時(shí)鐘布線軌道的唯一方式，用于GT時(shí)鐘的分頻。BUFG_GT_SYNC是BUFG_GT的同步器，是靠Vivado軟件自動插入，不會在設(shè)計(jì)文件中體現(xiàn)，可以直接驅(qū)動布線軌道和分布軌道，也屬于時(shí)鐘緩沖器。

在UltraScale器件中每個(gè)GT Quad有24個(gè)BUFG_GT和10個(gè)BUFG_GT_SYNC，UltraScale+器件中每個(gè)GT Quad有24個(gè)BUFG_GT和14個(gè)BUFG_GT_SYNC。BUFG_GT的端口相對較多，如下圖。

3.7 BUFG_PS

BUFG_PS是只有一個(gè)輸入，一個(gè)輸出的簡單時(shí)鐘緩沖器，屬于Zynq UltraScale+系列中PS的時(shí)鐘緩沖器，可以讓時(shí)鐘從PS進(jìn)入到PL中。共有18個(gè)PS 時(shí)鐘可以驅(qū)動BUFG_PS，布局位置處于PS的旁邊。

四、時(shí)鐘驅(qū)動關(guān)系

在一個(gè)CR中，垂直布線軌道和水平布線軌道是互通的，垂直分布軌道可以單向通到水平分布軌道，但分布軌道不能通向布線軌道。布線軌道也可以驅(qū)動鄰近CR的布線軌道和分布軌道，分布軌道可以驅(qū)動鄰近CR的水平分布軌道。

時(shí)鐘進(jìn)入時(shí)鐘緩沖器有兩種方式。

方式一：時(shí)鐘可以直接通過布線軌道進(jìn)入到CR的中心位置，即圖中的root，然后可以驅(qū)動水平分布軌道和垂直分布軌道。通過這種方式，時(shí)鐘緩沖器可以驅(qū)動到CR內(nèi)一個(gè)特點(diǎn)位置，時(shí)鐘緩沖器在該位置上可以先通過垂直分布軌道，再水平分布軌道進(jìn)入到時(shí)鐘點(diǎn)。時(shí)鐘點(diǎn)可以通過當(dāng)前CR或鄰近CR中帶有使能端口CE的葉子時(shí)鐘驅(qū)動，這種分布方案可以將根節(jié)點(diǎn)移動到指定的位置來改善，降低偏斜。

方式二：時(shí)鐘點(diǎn)可以被本區(qū)域內(nèi)或鄰近區(qū)域內(nèi)帶有使能端口CE的葉子時(shí)鐘驅(qū)動，時(shí)鐘點(diǎn)驅(qū)動時(shí)鐘緩沖器，時(shí)鐘緩沖器再進(jìn)入分布軌道，這將減少時(shí)間插入時(shí)延。

五、縮略詞

CR: Clock Region 時(shí)鐘區(qū)域

GT：Gigabit Transceivers G比特收發(fā)器

GC：Global Clock 全局時(shí)鐘

HCS：Horizontal Clock Spine 水平時(shí)鐘脊

MMCM：Mixed-mode Clock Manager 混合模式時(shí)鐘管理器

PHY：Physical Layer 物理層

PS: Processor Sytem 處理器系統(tǒng)

SYSMON：System Monitor 系統(tǒng)監(jiān)視器

PL：Programmable Logic 可編程邏輯