一種FPGA時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方案:摘 要：本文闡述了用于FPGA 的可優(yōu)化時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)功耗與面積的時(shí)鐘布線結(jié)構(gòu)模型。并在時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)中引入數(shù)字延遲鎖相環(huán)減少時(shí)鐘偏差，探討了FPGA
時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中鎖相環(huán)的實(shí)現(xiàn)方案。
關(guān)鍵字：FPGA；時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)；鎖相環(huán)
自產(chǎn)生到現(xiàn)在，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被成功應(yīng)用在工業(yè)
控制、數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)硬件等領(lǐng)域，也成功應(yīng)用在保密通信和多種先進(jìn)的武器
系統(tǒng)中[1,2]。我國在FPGA 的開發(fā)方面起步較晚，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的FPGA
具有重要意義。各種應(yīng)用條件要求FPGA 能夠快速進(jìn)行大量數(shù)據(jù)傳輸與處理，同
時(shí)，不斷提高的工藝水平已將CMOS 電路速度提高到了一個(gè)新的層次，這要求
FPGA 的時(shí)鐘信號有更高的速度與精度。時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)決定了時(shí)鐘的速度與精
度，決定著數(shù)據(jù)的穩(wěn)定與可靠。本文結(jié)合FPGA 的特點(diǎn)，在優(yōu)化時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)功耗與
面積基礎(chǔ)上研究FPGA 內(nèi)嵌時(shí)鐘鎖相電路，從整體上給出了一種FPGA 時(shí)鐘分
配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。
2 FPGA 的時(shí)鐘布線結(jié)構(gòu)
高性能的FPGA 可用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的系統(tǒng)，系統(tǒng)有不同組成部分，每一部分需
要不同的時(shí)鐘，這就需要多個(gè)時(shí)鐘組成時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。許多FPGA 允許利用通用邏輯
布線資源進(jìn)行時(shí)鐘布線，但其時(shí)鐘偏差較大，一般設(shè)計(jì)中需單獨(dú)設(shè)計(jì)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。
另外，時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的功耗占了FPGA 的很大一部分，設(shè)計(jì)時(shí)要先考慮功耗、面積，
嚴(yán)格設(shè)計(jì)以給FPGA 中的每個(gè)模塊提供低功耗、高速、偏差小的時(shí)鐘信號。通常
FPGA 均將時(shí)鐘信號分為全局和局部兩種，把芯片分為四個(gè)象限區(qū)域，布線時(shí)將
時(shí)鐘信號分層次布到每個(gè)區(qū)域。局部時(shí)鐘只分布在FPGA 的一個(gè)區(qū)域，可連到區(qū)
域中的每一個(gè)觸發(fā)器。全局時(shí)鐘分布于整個(gè)芯片，但不一定要連到每一個(gè)邏輯單
元中的觸發(fā)器。Altera 公司的Stratix Ⅱ系列提供了16 個(gè)全局時(shí)鐘信號，可連到
FPGA 的每一個(gè)觸發(fā)器，同時(shí)在每個(gè)象限區(qū)域提供8 個(gè)時(shí)鐘信號。同樣，Xilinx
的Virtex Ⅱ Pro 也提供了16 個(gè)全局時(shí)鐘，給每個(gè)象限區(qū)域提供8 個(gè)局部時(shí)鐘，
但其全局時(shí)鐘不直接驅(qū)動觸發(fā)器，而只驅(qū)動到每個(gè)象限的局部時(shí)鐘網(wǎng)。
根據(jù)現(xiàn)有的FPGA 的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，可提出一個(gè)有效的時(shí)鐘模型[3]。 模型將時(shí)鐘網(wǎng)
絡(luò)分為三級，第一級是從芯片外圍的時(shí)鐘源到時(shí)鐘區(qū)域中心的可編程連接，包含
全局和局部兩個(gè)平行的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)；第二級是從區(qū)域中心時(shí)鐘信號到此區(qū)域中邏輯
塊間的可編程連接，每個(gè)區(qū)域都有這樣的網(wǎng)絡(luò)；第三級（圖3）是從邏輯塊時(shí)鐘
到其中邏輯單元的可編程連接。