免費(fèi)的 I/O：改進(jìn) FPGA 時(shí)鐘分配控制

同步數(shù)字系統(tǒng)中的時(shí)鐘信號(hào)（如遠(yuǎn)程通信中使用的）為系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳送定義了時(shí)間基準(zhǔn)。一個(gè)時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)組成，由一個(gè)點(diǎn)將所有信號(hào)分配給需要時(shí)鐘信號(hào)的所有組件。因?yàn)闀r(shí)鐘信號(hào)執(zhí)行關(guān)鍵的系統(tǒng)功能，很顯然應(yīng)給予更多的關(guān)注，不僅在時(shí)鐘的特性（即偏移和抖動(dòng)）方面，還有那些組成時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)的組件。

FPGA開發(fā)團(tuán)隊(duì)不斷面臨過于繁瑣、復(fù)雜的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的挑戰(zhàn)。各種因素，包括不斷增加的I/O需求、降低成本的要求和減少印刷電路板設(shè)計(jì)更改的需要，迫使設(shè)計(jì)人員重新審視時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。本文將探討FPGA時(shí)鐘分配控制方面的挑戰(zhàn)，協(xié)助開發(fā)團(tuán)隊(duì)改變他們的設(shè)計(jì)方法，并針對(duì)正在考慮如何通過縮小其時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模來擁有更多的FPGA I/O，或提高時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)性能的設(shè)計(jì)者們提供實(shí)用的建議。

引發(fā)設(shè)計(jì)更改的因素
1. 電路板面積的限制
印刷電路板設(shè)計(jì)必須考慮到許多限制因素。包括物理尺寸、散熱要求、走線長度、層數(shù)和互連的類型。隨著每一代的設(shè)計(jì)都要求更多的功能，因而電路板的限制因素也越來越多。一種解決方案是使用可編程邏輯器件，如FPGA和CPLD，減少元件數(shù)量并降低電路板的復(fù)雜性。然而，采取這種方法的同時(shí)還可以進(jìn)一步重新審視一下時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)。不僅因?yàn)闀r(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的各種走線長度，占用了大量的電路板面積，并且還用到大量的振蕩器和時(shí)鐘分配IC來產(chǎn)生當(dāng)今設(shè)計(jì)中所需的多種頻率。

2. 時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)性能
時(shí)鐘信號(hào)及其相關(guān)的分配網(wǎng)絡(luò)對(duì)于實(shí)現(xiàn)當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)的高性能和高可靠性來說是至關(guān)重要的。提高同步設(shè)計(jì)整體性能的關(guān)鍵是要提高時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的頻率。然而，由于一些因素，如時(shí)序容限、信號(hào)完整性和同步相關(guān)時(shí)鐘邊沿，使得時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性大大增加。時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)使用一系列單功能的組件來設(shè)計(jì)，如扇出緩沖器、時(shí)鐘發(fā)生器、延遲線、零延遲緩沖器和頻率合成器。任何由于走線長度不同而引起的時(shí)序錯(cuò)誤，都可以通過蛇形線進(jìn)行走線長度匹配或使用緩沖器來解決。使用試錯(cuò)法選擇串聯(lián)電阻可以緩和任何走線阻抗與輸出驅(qū)動(dòng)器阻抗不匹配的影響。甚至可以使用專門的轉(zhuǎn)換器來匹配時(shí)鐘發(fā)生器和接收器IC之間的信號(hào)接口，與多種信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)連接。然而，傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)師們采用多種不太理想的解決方案，目的是為了使用盡可能少的走線和元器件，實(shí)現(xiàn)小規(guī)模且高性能的時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)。

3. 更高的FPGA I/O利用率
隨著高復(fù)雜度的系統(tǒng)設(shè)計(jì)推動(dòng)了可編程邏輯的使用，設(shè)計(jì)人員需要更多的FPGA I/O來實(shí)現(xiàn)更多功能。再加上由于每個(gè)系統(tǒng)對(duì)FPGA I/O的需求都不同，突然之間每個(gè)I/O都變得很珍貴。當(dāng)I/O受限時(shí)，簡(jiǎn)單的解決方案就必須移植到較大的FPGA上。在這種情況下，“大”可能意味著更多的封裝引腳數(shù)或者更多查找表（LUT）的FPGA。然而，通常“大”也意味著器件價(jià)格更昂貴。另一種解決方案是檢視I/O到底是如何被消耗的，特別是在時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)中。一個(gè)帶有扇出緩沖器的時(shí)鐘發(fā)生器需要使用多達(dá)12個(gè)I/O，這聽起來好像不多，但是考慮到在一個(gè)應(yīng)用中所需要的不同時(shí)鐘頻率的數(shù)量?，F(xiàn)在你可以很清楚地看到時(shí)鐘分配網(wǎng)絡(luò)用掉了多少FPGA的I/O……太多了！通過優(yōu)化時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)師們可以使用更小的FPGA或者獲得免費(fèi)的I/O來實(shí)現(xiàn)附加功能。

現(xiàn)代FPGA時(shí)鐘分配示例
高級(jí)夾層卡（Advanced MC或AMC）是一個(gè)小型的夾層卡，符合PICMG標(biāo)準(zhǔn)定義。它是開發(fā)AdvancedTCA和MicroTCA系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)師選擇的夾層卡。

評(píng)估時(shí)鐘源選擇的方法之一是使用一塊評(píng)估板，如LatticeECP3 AMC評(píng)估板。此板允許為5個(gè)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)提供多個(gè)時(shí)鐘源選擇，如圖1所示。

圖1 AMC時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)

圖1中，F(xiàn)PGA的SERDES/PCS核可以使用幾種可選的連接。PCS quad可用于多種、雙工SERDES通道，連接到各種千兆以太網(wǎng)接口或AMC背板。

● PCSA——來自板上122.88、125或156.25 MHz的時(shí)鐘源。但是，如果使用了122.88 MHz，這將禁止PCSA上任何非CPRI接口。PCSA也可以接收來自AMC背板的時(shí)鐘。

● PCSB和PCSC——來自板上125或156.25 MHz器件的時(shí)鐘源。它們還可以從AMC背板接收時(shí)鐘。該時(shí)鐘允許不同的速率或相同的速率時(shí)鐘分別提供給PCSB和PCSC參考時(shí)鐘。

● PCSD——來自板上122.88、125或156.25 MHz器件的時(shí)鐘源。它們還可以從AMC背板接收時(shí)鐘信號(hào)。

● 背板——連接AMC edge-finger (TCLKB)的遠(yuǎn)程通信時(shí)鐘。這個(gè)時(shí)鐘可以在不使用時(shí)禁用。

* 來自AMC的時(shí)鐘：這個(gè)時(shí)鐘能夠?yàn)樗?個(gè)quad提供PCS參考時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)參考時(shí)鐘源。

* 輸入AMC的時(shí)鐘：這個(gè)時(shí)鐘能夠驅(qū)動(dòng)AMC模塊到背板，并且可以是任意PCS quad的同一個(gè)參考時(shí)鐘源。
如圖2所示，AMC時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)最初通過多個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器控制，1〜4個(gè)扇出緩沖器和一個(gè)2:1多路開關(guān)。該方案需要38個(gè)I/O來進(jìn)行時(shí)鐘分配控制，還需要占用大量電路板面積。

圖2 傳統(tǒng)AMC時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)機(jī)制

利用一個(gè)可編程的時(shí)鐘管理器件，可以大大地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)（如圖3所示）。該方案僅需要18個(gè)I/O來進(jìn)行時(shí)鐘分配控制，節(jié)省了20個(gè)I/O可用于其他功能。此外，使用這種設(shè)計(jì)節(jié)省了超過3平方英寸的電路板面積。
這些方案通過使用兩個(gè)可編程時(shí)鐘管理器件來控制（見圖4）。有幾個(gè)板上振蕩器可以合成和/或扇出作為幾個(gè)時(shí)鐘的輸入。所有的時(shí)鐘變量都可以通過對(duì)時(shí)鐘管理器件的編程來進(jìn)行管理。

圖3 優(yōu)化的AMC時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖4 AMC時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)控制

可編程性重新定義了時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)
一個(gè)可編程的時(shí)鐘分配IC，如ispClock5406D專門為高性能的通信和計(jì)算應(yīng)用而設(shè)計(jì)，如PCI Express、ATCA、MicroTCA和AMC。這些可編程IC的主要功能包括一個(gè)超低相位噪聲的PLL、輸出部分支持多種邏輯標(biāo)準(zhǔn)和雙偏移控制。

這類可編程時(shí)鐘分配IC的主要優(yōu)點(diǎn)包括：
● 可編程偏移通過減少蜿蜒的走線從而簡(jiǎn)化了電路板布局，并有助于增加時(shí)序容限、縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

● 能夠通過一個(gè)可編程的輸出阻抗特性來匹配走線阻抗。與更高的輸出VCC和接地引腳相結(jié)合，提高了時(shí)鐘信號(hào)的完整性。此外，由于輸出阻抗可以按每個(gè)器件來調(diào)整，器件與器件間輸出阻抗的差異最小化，從而提高生產(chǎn)合格率。一個(gè)片上可編程輸出阻抗還可以彌補(bǔ)使用輸出阻抗匹配電阻而引起的要用更大的電路板面積的需求。

● 一個(gè)通用扇出緩沖器，可以通過編程來驅(qū)動(dòng)多種信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，減少了對(duì)獨(dú)立的（有時(shí)部分使用）信號(hào)轉(zhuǎn)換器的需求，因此減少了時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)的層次，并且降低了整個(gè)電路板的時(shí)序要求。

● 低抖動(dòng)和良好匹配的輸出-輸出偏移，可以提供額外的時(shí)序容限。

● 每個(gè)IC的配置可保存在片上非易失性存儲(chǔ)器中，通過JTAG接口進(jìn)行重新編程。然后器件的某些特定方面可以通過一個(gè)I2C接口進(jìn)行修改。因?yàn)樵撈骷乃械闹饕δ芏际强删幊痰?，設(shè)計(jì)人員可以使用標(biāo)準(zhǔn)化的器件，如ispClock5406D以滿足其系統(tǒng)時(shí)鐘需求，并且降低成本。

綜述
可編程時(shí)鐘器件集成了主要的時(shí)序元件，如一個(gè)PLL、分頻器、扇出緩沖器、零延遲緩沖器，從而節(jié)省電路板面積、降低成本，并提高性能。使用諸如ispClock5400D系列器件，設(shè)計(jì)人員可以更好地規(guī)劃其特定系統(tǒng)的理想時(shí)鐘產(chǎn)生和分配電路，更好地利用其FPGA上的I/O。