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一种FPGA时钟网络中锁相环的实现方案
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2009-08-08
王刚
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一种FPGA时钟网络中锁相环的实现方案:摘 要：本文阐述了用于FPGA 的可优化时钟分配网络功耗与面积的时钟布线结构模型。并在时钟分配网络中引入数字延迟锁相环减少时钟偏差，探讨了FPGA
时钟网络中锁相环的实现方案。
关键字：FPGA；时钟分配网络；锁相环
自产生到现在，现场可编程门阵列（FPGA）以其独特的优点被成功应用在工业
控制、数据通信、计算机硬件等领域，也成功应用在保密通信和多种先进的武器
系统中[1,2]。我国在FPGA 的开发方面起步较晚，开发具有自主知识产权的FPGA
具有重要意义。各种应用条件要求FPGA 能够快速进行大量数据传输与处理，同
时，不断提高的工艺水平已将CMOS 电路速度提高到了一个新的层次，这要求
FPGA 的时钟信号有更高的速度与精度。时钟分配网络决定了时钟的速度与精
度，决定着数据的稳定与可靠。本文结合FPGA 的特点，在优化时钟网络功耗与
面积基础上研究FPGA 内嵌时钟锁相电路，从整体上给出了一种FPGA 时钟分
配网络设计方案。
2 FPGA 的时钟布线结构
高性能的FPGA 可用于实现一个完整的系统，系统有不同组成部分，每一部分需
要不同的时钟，这就需要多个时钟组成时钟网络。许多FPGA 允许利用通用逻辑
布线资源进行时钟布线，但其时钟偏差较大，一般设计中需单独设计时钟网络。
另外，时钟网络的功耗占了FPGA 的很大一部分，设计时要先考虑功耗、面积，
严格设计以给FPGA 中的每个模块提供低功耗、高速、偏差小的时钟信号。通常
FPGA 均将时钟信号分为全局和局部两种，把芯片分为四个象限区域，布线时将
时钟信号分层次布到每个区域。局部时钟只分布在FPGA 的一个区域，可连到区
域中的每一个触发器。全局时钟分布于整个芯片，但不一定要连到每一个逻辑单
元中的触发器。Altera 公司的Stratix Ⅱ系列提供了16 个全局时钟信号，可连到
FPGA 的每一个触发器，同时在每个象限区域提供8 个时钟信号。同样，Xilinx
的Virtex Ⅱ Pro 也提供了16 个全局时钟，给每个象限区域提供8 个局部时钟，
但其全局时钟不直接驱动触发器，而只驱动到每个象限的局部时钟网。
根据现有的FPGA 的时钟网络，可提出一个有效的时钟模型[3]。 模型将时钟网
络分为三级，第一级是从芯片外围的时钟源到时钟区域中心的可编程连接，包含
全局和局部两个平行的时钟网络；第二级是从区域中心时钟信号到此区域中逻辑
块间的可编程连接，每个区域都有这样的网络；第三级（图3）是从逻辑块时钟
到其中逻辑单元的可编程连接。
时钟网络中锁相环的实现方案。
关键字：FPGA；时钟分配网络；锁相环
自产生到现在，现场可编程门阵列（FPGA）以其独特的优点被成功应用在工业
控制、数据通信、计算机硬件等领域，也成功应用在保密通信和多种先进的武器
系统中[1,2]。我国在FPGA 的开发方面起步较晚，开发具有自主知识产权的FPGA
具有重要意义。各种应用条件要求FPGA 能够快速进行大量数据传输与处理，同
时，不断提高的工艺水平已将CMOS 电路速度提高到了一个新的层次，这要求
FPGA 的时钟信号有更高的速度与精度。时钟分配网络决定了时钟的速度与精
度，决定着数据的稳定与可靠。本文结合FPGA 的特点，在优化时钟网络功耗与
面积基础上研究FPGA 内嵌时钟锁相电路，从整体上给出了一种FPGA 时钟分
配网络设计方案。
2 FPGA 的时钟布线结构
高性能的FPGA 可用于实现一个完整的系统，系统有不同组成部分，每一部分需
要不同的时钟，这就需要多个时钟组成时钟网络。许多FPGA 允许利用通用逻辑
布线资源进行时钟布线，但其时钟偏差较大，一般设计中需单独设计时钟网络。
另外，时钟网络的功耗占了FPGA 的很大一部分，设计时要先考虑功耗、面积，
严格设计以给FPGA 中的每个模块提供低功耗、高速、偏差小的时钟信号。通常
FPGA 均将时钟信号分为全局和局部两种，把芯片分为四个象限区域，布线时将
时钟信号分层次布到每个区域。局部时钟只分布在FPGA 的一个区域，可连到区
域中的每一个触发器。全局时钟分布于整个芯片，但不一定要连到每一个逻辑单
元中的触发器。Altera 公司的Stratix Ⅱ系列提供了16 个全局时钟信号，可连到
FPGA 的每一个触发器，同时在每个象限区域提供8 个时钟信号。同样，Xilinx
的Virtex Ⅱ Pro 也提供了16 个全局时钟，给每个象限区域提供8 个局部时钟，
但其全局时钟不直接驱动触发器，而只驱动到每个象限的局部时钟网。
根据现有的FPGA 的时钟网络，可提出一个有效的时钟模型[3]。 模型将时钟网
络分为三级，第一级是从芯片外围的时钟源到时钟区域中心的可编程连接，包含
全局和局部两个平行的时钟网络；第二级是从区域中心时钟信号到此区域中逻辑
块间的可编程连接，每个区域都有这样的网络；第三级（图3）是从逻辑块时钟
到其中逻辑单元的可编程连接。
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