Xilinx 7系列FPGA的时钟结构解析

导读：

通过上一篇文章“时钟管理技术”，我们了解Xilinx 7系列FPGA主要有全局时钟、区域时钟、时钟管理块（CMT）。 通过以上时钟资源的结合，Xilinx 7系列FPGA可实现高性能和可靠的时钟分配，以满足各种设计需求，并提供时钟驱动逻辑资源的灵活性和可扩展性。那今天我们一起解剖Xilinx 7系列FPGA的时钟结构，看看它到底如何实现如此丰富的时钟资源并能够做到完美平衡。

先打一针预防针，基于FPGA的时钟结构相关知识本身比较复杂，读者必须认真跟着节奏阅读，我将以更形象和更通俗易懂的描述/示图带大家了解FPGA整个时钟树框架、涉及的名称概念、区域时钟、时钟管理块（CMT）等概念。

先抛出一个问题：FPGA如果不设计合适的时钟结构会有什么后果？

如上图所示：CC表示引入外部时钟的引脚，其他几个黑点分布在不同bank的逻辑电路，且为同一时钟域的逻辑电路，要求时钟同步。通过上一篇文章大家可知，因为布线长度不同，很容易出现时钟skew（偏斜），没法同步。

通过对比上面两个示意图，大家可能知道答案了。左侧是没有专用的时钟结构，分散在不同bank的逻辑仅靠FPGA内部IO布线资源不可能做到时钟同步。而右侧的紫色、绿色、黄色“柱”都是FPGA的专用时钟布线通道，均匀排列并横跨到每一个bank。CC引脚可直接连到这些专用时钟通道上。理想状态下，FPGA内的任何地方都可以做到时钟同步。

有了这个“引子”，再理解下文的时钟架构解剖就简单多了。

Xilinx-7系列时钟架构

高层次时钟架构视图（xilinx 7系列原文档）

1. 注：
2. 不熟悉FPGA时钟结构的读者第一次看到xilinx 原文档和学习肯定有点懵圈，很难理解图示的时钟资源划分。我先详细解释视图中的每一个名词概念，如果暂时不理解概念没有关系，因为我在后文重新画了一张时钟架构图，用更通俗易懂的话总结其内部时钟结构的设计特点，我相信读者会柳暗花明又一村。

Horizontal Center：“水平中心”这里指的是一个水平分界线的概念，没有特定的时钟电路。它将FPGA平均划分为上下两个区域的分界线。horizontal center 的主要作用是有利于帮助设计人员布局和约束时钟资源，方便设计人员在特定区域内管理和规划时钟资源在FPGA布局中的约束和分隔。限定某些时钟资源的范围，使其仅在特定的区域内使用。

Clock Backbone：时钟骨干（从分界线角度也可将它看作是垂直中心线，不过时钟骨干有特定的时钟资源电路）。它将FPGA分为对称的左右两个区域，从名字上可知，这是FPGA的时钟主干通道，所有的全局时钟布线均要从时钟骨干经过。

Clock Region：时钟区域，FPGA内部被分成了很多个时钟区域。每个时钟区域的高度为50个CLB，并跨越芯片一半“面积”（可以先简单理解为，一个时钟区域对应有一个IO bank），读者可跳过此处，参见下文“clock region”先对时钟区域的概念、包含哪些资源做大致了解。

HROW：时钟区域的水平时钟行（Horizontal ROW）。位于时钟区域水的水平中心线，从水平方向贯穿每个时钟区域的中心区域，将时钟区域分成上下完全一致的两部分。HROW上方和下方的时钟资源通过HROW进行连接和路由。HROW主要用于在时钟区域内传递和分配时钟信号，使时钟能够到达区域中的各个时钟点和时序资源。

I/O Column：I/O"列",FPGA通常将一组I/O （输入/输出引脚）资源称为一个I/O BANK，每个BANK大小一样。布局上，这些I/O BANK 对称位于Clock Backbone（垂直中心线）的两侧，所以从物理布局上看，一边的I/O Banks确实有”列“的意思（参见下文时钟架构简图）。这种布局设计可以提供更好的布线和连接选项，以满足不同的设计需求。

CMT Column：CMT“列”，同理，对应每一个BANK都有一个CMT（时钟管理块）。物理布局上，7系列FPGA也是有左右两”列“CMT Columns 。每个CMT 包含一个混合模式时钟管理器（Mixed-Mode Clock Manager，MMCM）和一个锁相环（Phase-Locked Loop，PLL），它们提供了时钟频率合成、去抖动和滤波等功能。CMT Backbone把各个CMT 连接在一起。

CMT Backbone：时钟管理器（CMT）骨干，CMT之间的互连通道。它跨越了整个FPGA的高度，它提供了上下相邻的时钟区域的时钟传递路径和连接。CMT Backbone在整个FPGA中起到关键的作用，确保时钟信号的准确传递和同步。

GT Column：GT“列”，同理，FPGA通常将一组GT（一个或多个高速串行通道）资源称为一个GT BANK。物理布局上，7系列FPGA也是有左右两“列“GT Banks 。GT是用于支持高速数据传输的特殊功能模块，通常用于实现高速串行接口协议，如PCI Express、Ethernet、USB等。GT Column通常与I/O Column和CMT Column相邻。

时钟结构、资源解剖

注：

假设xilinx 7系列某一款FPGA共8个I/O bank，我用上图详细解剖其时钟结构：如图可见，共划分8个Clock Region（时钟区域），Clock Backbone（时钟骨干）将8个时钟区域分成左边4个和右边4个两个对称部分。然后HROW从水平方向贯穿每个时钟区域的中心，并与时钟骨干相连。每个时钟区域都含有一个CMT（时钟管理块），然后每个时钟区域的CMT则通过CMT Backbone(CMT 骨干)相连，且CMT骨干还与HROW相连。因此任何一个时钟区域内的时钟都可通过CMT骨干、HROW、时钟骨干到达另一个时钟区域。

看上去有点像人背上的骨骼，通过脊柱均匀对称的分布到各个时钟区域。

注：

下图则是将一个时钟区域内的主要资源全部示意出来：包括CLB，块RAM，DSP，GT，IO Bank，CMT等时钟资源。结合本合集的第一篇文章，是否发现，FPGA其实就这么回事。

总结来说，FPGA实际上就是被分成很多个大小一样时钟区域，每个时钟区域既可单独工作又可通过全局时钟Clock BackBone统一工作，同时水平相邻的时钟区域又可通过HROW来统一工作，上下相邻的时钟区域又可通过CMT Backbone统一工作。

时钟区域（clock region）

Vivado 7系列某FPGA implementation 的device视图

注：

阅读到这里，大家应该对“时钟区域”的概念有了一定的了解，为了大家对时钟区域有更真实形象的理解，我截取了Xilinx 开发工具vivado 下某设备的布局布线视图。

Xilinx FPGA中的X0Y0等类似的命名表示一个时钟区域（Clock Region）。Xilinx FPGA使用X、Y和数字索引来命名时钟区域块。X和Y表示FPGA芯片的行和列，而数字索引表示时钟区域块在FPGA芯片内的位置。例如，X0Y1表示FPGA芯片的第一行第二列的时钟区域块。

通过对FPGA芯片进行时钟区域块的划分，设计工程师可以更好地组织和管理逻辑资源和时钟资源，以优化时序性能、减少时钟相关问题，并实现设计的高性能和稳定性要求

注释：

1. 时钟区域的数量随器件大小而变化，从最小器件的一个时钟区域到最大器件的24个时钟区域，以上截图为20个时钟区域。
2. 7系列为例，每一个时钟区域包含50个CLB（可编程逻辑块），1个I/O Bank（含50个IO引脚），10个 36K 块RAM（其中一半的块RAM专门用于PCIe。），20个DSP 和12个BUFH（水平时钟缓冲器），1个CMT（PLL/MMCM，时钟管理块），1个GT quad（4个串行收发器）。
3. 一个时钟区域内的可用时钟资源和连接特性说明：

一个时钟区域内的可用时钟资源和连接特性

全局时钟缓冲器（BUFG）可以通过HROW驱动到每个时钟区域。水平时钟缓冲器（BUFH）通过HROW驱动到区域中的每个时钟点。BUFG和BUFH在HROW上共享路由通道。I/O缓冲器（BUFIO）和区域时钟缓冲器（BUFR）位于I/O Bank内。BUFIO仅驱动I/O时钟资源，而BUFR驱动I/O资源和逻辑资源。BUFMR使BUFIO和BUFR实现多区域级联。时钟引脚（CC）将外部时钟引入FPGA内部时钟资源。

总结

本文主要让读者了解和掌握FPGA的时钟结构特点、虽然是以Xilinx 7系列FPGA为例，但大同小异，基本原理相同。有关7系列FPGA内部更详细的时钟结构和时钟资源怎么使用，请参考ug472_7Series_Clocking.pdf。下一篇时钟篇3将重点介绍CMT和时钟资源的使用范例，敬请期待！