Xilinx原语使用方法

作者：swang_shan

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简介
原语(Primitive)，是Xilinx针对其器件特征开发的一系列常用模块的名字，用户可以将其看成Xilinx公司为用户提供的库函数，是芯片中的基本元件，代表FPGA中实际拥有的硬件逻辑单元，如LUT，D触发器，RAM等，相当于软件中的机器语言。在实现过程中的翻译步骤时，要将所有的设计单元都转译为目标器件中的基本元件，否则就是不可实现的。原语在设计中可以直接例化使用，是最直接的代码输入方式，其和HDL语言的关系，类似于汇编语言和C语言的关系。

Xilinx公司提供的原语，涵盖了FPGA开发的常用领域，但只有相应配置的硬件才能执行相应的原语，并不是所有的原语都可以在任何一款芯片上运行。在Verilog中使用原语非常简单，将其作为模块名直接例化即可。

Xilinx公司的原语按照功能分为10类，包括：计算组件、I/O端口组件、寄存器和锁存器、时钟组件、处理器组件、移位寄存器、配置和检测组件、RAM/ROM组件、Slice/CLB组件以及G比特收发器组件。下面分别对其进行详细介绍。

1、 时钟组件
目前，大型设计一般推荐使用同步时序电路。同步时序电路基于时钟触发沿设计，对时钟的周期、占空比、延时和抖动提出了更高的要求。为了满足同步时序设计的要求，一般在FPGA设计中采用全局时钟资源驱动设计的主时钟，以达到最低的时钟抖动和延迟。 FPGA 全局时钟资源一般使用全铜层工艺实现，并设计了专用时钟缓冲与驱动结构，从而使全局时钟到达芯片内部的所有可配置单元(CLB)、I/O单元(IOB)和选择性块RAM(Block Select RAM)的时延和抖动都为最小。为了适应复杂设计的需要，Xilinx的FPGA中集成的专用时钟资源与数字延迟锁相环(DLL)的数目不断增加，最新的 Virtex II器件最多可以提供16个全局时钟输入端口和8个数字时钟管理模块(DCM)。

与全局时钟资源相关的原语常用的与全局时钟资源相关的Xilinx器件原语包括：IBUFG、IBUFGDS、BUFG、BUFGP、BUFGCE、BUFGMUX、BUFGDLL和DCM等。

IBUFG
即输入全局缓冲，是与专用全局时钟输入管脚相连接的首级全局缓冲。所有从全局时钟管脚输入的信号必须经过IBUFG 单元，否则在布局布线时会报错。 IBUFG支持AGP、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVTTL、PCI、PCIX和 SSTL等多种格式的IO标准。

IBUFGDS
IBUFG的差分形式，当信号从一对差分全局时钟管脚输入时，必须使用IBUFGDS作为全局时钟输入缓冲。IBUFG支持BLVDS、LDT、LVDSEXT、LVDS、LVPECL和ULVDS等多种格式的IO标准。

BUFG
全局缓冲，它的输入是IBUFG的输出，BUFG的输出到达FPGA内部的IOB、CLB、选择性块RAM的时钟延迟和抖动最小。

BUFG是具有高扇出的全局时钟缓冲器，一般由综合器自动推断并使用，其和同类原语的RTL结构如图所示。全局时钟是具有高扇出驱动能力的缓冲器，可以将信号连到时钟抖动可以忽略不计的全局时钟网络，BUFG组件还可应用于典型的高扇出信号和网络，如复位信号和时钟使能信号。如果要对全局时钟实现PLL或DCM等时钟管理，则需要手动例化该缓冲器。其例化的代码模板如下所示：
// BUFG: 全局时钟缓存（Global Clock Buffer），只能以内部信号驱动
// Xilinx HDL库向导版本，ISE 9.1
BUFG BUFG_inst (
.O(O), //时钟缓存输出信号
.I(I) // /时钟缓存输入信号
);
// 结束BUFG_ins模块的例化过程

BUFG—RTL

BUFG—RTL

4. BUFGCE是带有时钟使能端的全局缓冲。它有一个输入I、一个使能端CE和一个输出端O。只有当BUFGCE的使能端CE有效(高电平)时，BUFGCE才有输出。

5. BUFGMUX是全局时钟选择缓冲，它有I0和I1两个输入，一个控制端S，一个输出端O。当S为低电平时输出时钟为I0，反之为I1。需要指出的是BUFGMUX的应用十分灵活，I0和I1两个输入时钟甚至可以为异步关系。

6. BUFGP相当于IBUG加上BUFG。

7. BUFGDLL是全局缓冲延迟锁相环，相当于BUFG与DLL的结合。BUFGDLL在早期设计中经常使用，用以完成全局时钟的同步和驱动等功能。随着数字时钟管理单元(DCM)的日益完善，目前BUFGDLL的应用已经逐渐被DCM所取代。

8. DCM即数字时钟管理单元，主要完成时钟的同步、移相、分频、倍频和去抖动等。DCM与全局时钟有着密不可分的联系，为了达到最小的延迟和抖动，几乎所有的DCM应用都要使用全局缓冲资源。DCM可以用Xilinx ISE软件中的Architecture Wizard直接生成。

全局时钟资源的使用方法 全局时钟资源的使用方法(五种)

1：IBUFG + BUFG的使用方法：

IBUFG后面连接BUFG的方法是最基本的全局时钟资源使用方法，由于IBUFG组合BUFG相当于BUFGP，所以在这种使用方法也称为BUFGP方法。

2. IBUFGDS + BUFG的使用方法：

当输入时钟信号为差分信号时，需要使用IBUFGDS代替IBUFG。

3. IBUFG + DCM + BUFG的使用方法：

这种使用方法最灵活，对全局时钟的控制更加有效。通过DCM模块不仅仅能对时钟进行同步、移相、分频和倍频等变换，而且可以使全局时钟的输出达到无抖动延迟。

4. Logic ＋ BUFG的使用方法：

BUFG不但可以驱动IBUFG的输出，还可以驱动其它普通信号的输出。当某个信号(时钟、使能、快速路径)的扇出非常大，并且要求抖动延迟最小时，可以使用BUFG驱动该信号，使该信号利用全局时钟资源。但需要注意的是，普通IO的输入或普通片内信号进入全局时钟布线层需要一个固有的延时，一般在 10ns左右，即普通IO和普通片内信号从输入到BUFG输出有一个约10ns左右的固有延时，但是BUFG的输出到片内所有单元(IOB、CLB、选择性块RAM)的延时可以忽略不计为“0”ns。

5． Logic + DCM + BUFG的使用方法：

DCM同样也可以控制并变换普通时钟信号，即DCM的输入也可以是普通片内信号。使用全局时钟资源的注意事项全局时钟资源必须满足的重要原则是：使用 IBUFG或IBUFGDS的充分必要条件是信号从专用全局时钟管脚输入。换言之，当某个信号从全局时钟管脚输入，不论它是否为时钟信号，都必须使用 IBUFG或IBUFGDS；如果对某个信号使用了IBUFG或IBUFGDS硬件原语，则这个信号必定是从全局时钟管脚输入的。如果违反了这条原则，那么在布局布线时会报错。这条规则的使用是由FPGA的内部结构决定的：IBUFG和IBUFGDS的输入端仅仅与芯片的专用全局时钟输入管脚有物理连接，与普通IO和其它内部CLB等没有物理连接。另外，由于BUFGP相当于IBUFG和BUFG的组合，所以BUFGP的使用也必须遵循上述的原则。