FPGA的时钟资源-编程知识

简介

Clock Region详解

MRCC和SRCC的区别

BUFGs

时钟资源总结

简介

7系列FPGA的时钟结构图：

Clock Region：时钟区域，下图中有6个时钟区域，用不同的颜色加以区分出来

Clock Backbone：从名字也能看出来，这个一个纵向贯穿整个FPGA的时钟资源，把FPGA的clock region分成了两个部分，所有的全局时钟都要从这经过。可以看到BUFG都在Clock Backbone上。Clocking Center就是Backbone中间的分割线。

Horizontal Center：水平分割线，将FPGA的BUFG分割成上下相等的两部分，像下图中，上下各有16个BUFG。需要注意的是，BUFG不属于任何的clock region，并且BUFG可以到底FPGA的任一个时钟角落。

HROW：Horizontal Clock Row, 将每一个clock region分成上下两部分，全局时钟进入每个clock region时，需要要经过HROW，有点类似于Clock Backbone在FPGA中的作用。

CMT Backbone：Clock Backbone是整个FPGA的Backbone，是很珍贵的资源，而如果是上下相邻的clock region，可以通过CMT Backbone互连。

CMT Column：每个Cloumn包含一个MMCM和一个PLL。

GT Column：高速收发器的column。

有同学可能有疑惑，为什么要分Clock Region，用一个Clock Region不是更简单么?

答：为了适用更多的时钟，假如没有Clock Region，那就全部是Global Clock，如果有16个时钟网络，那最多就支持16个时钟。而分成了Clock Region后，如果该区域的时钟资源恰好可以布局到对应的region，则只使用该region的时钟网络资源。也就是说，如果有16个时钟网络资源，那么极限情况下，两个region就可以使用32个时钟。

Clock Region详解

7系列FPGA的Clock Region的结构图：

首先我们来明确几个Buffer的含义（我们后面会有一篇文章专门来讲这几个buffer）

BUFG：Global Clock Buffer

BUFH：Horizontal Clock Buffer，可驱动左右相邻的两个Region

BUFR：Regional Clock Buffer，从名字就可以看出来，只能驱动当前Region

BUFIO：I/O Buffer，位于IO BANK中，只能用于驱动IO

BUFMR：Multi-Clock Region Buffer，它可以驱动本BANK和上下相邻BANK的BUFIO和BUFR，起到了扩展连接的作用

CC：Clock Capable

下图是Clock Region更详细的内部结构图：

可以看到：

每个IO BANK的4个cc管脚可以驱动CMT中的PLL/MMCM，也可以驱动BUFH；

HROW中有12个routing track，BUFG和BUFH共享12个track；

GT Quad有10个专门的track用于驱动CMT和Clock Backbone中的BUFFER；

BUFR有4个track驱动逻辑资源、CMT和BUFG；

CMT在一定条件下可以通过CMT Backbone驱动上下相邻的CMT；

一个Region中的时钟资源可以驱动本Region或者水平临近Region的时钟BUFFER；

CMT、CC管脚和GT时钟可以通过BUFH来驱动左右相邻Region

下图是BUFR/BUFMR/BUFIO的详细结构图：

可以看出：

每个IO BANK都含有4个BUFIO和BUFR；

Clock Buffer都可以被CC管脚或者MMCM来驱动；

图中可以看到CC又分了MRCC和SRCC，从MMCM输出到BUFR和BUFIO之间有一条专门的高性能差分路径；并且，不是所有的7系列FPGA的时钟结构都像上面的图中所画，比如包含不同数量的GT可能会导致时钟结构位置不太一样，但这并不妨碍上面这些图对7系列FPGA时钟结构的说明。

MRCC和SRCC的区别

只有7系列的FPGA中才有MRCC和SRCC的说法，到了UltraScale系列，都是叫GC。

根据前面的解释，MRCC就是Multi Region的CC，从该管脚输入的时钟可以access到不同的Clock Region，而SRCC就是Single Region的CC，从该管脚输入的时钟只能access当前Clock Region。

所以有同学就会觉得，如果想使用全局时钟，就必须将时钟接到MRCC，而不能是SRCC。但这种理解是错误的，下面我们会详细解释。

手册中对MRCC驱动多个Clock Region的说明如下：

MRCCs can access multiple clock regions and the global clock tree. MRCCs function the same as SRCCs and can additionally drive multi-clock region buffers (BUFMR) to access up to three clock region.

MRCC通过BUFMR来access最多三个clock region，从下面的图也可以看出，已经用红色的线将MRCC的路径都标出来，可以看到，MRCC通过了BUFMR到达了CMT Backbone，然后就可以access其他的Clock Region了。

从上面这个图可以看出，MRCC可以直接驱动BUFR和BUFIO，也可以先经过BUFMR后再驱动BUFIO和BUFR。

SRCC的路径在下面的图中用红色的线标识出来，可看到，它的路径只在当前的Clock Region里面。

An MRCC pin pair can drive a specific BUFMR, which in turn can drive BUFIOs and BUFRs in the same and adjacent regions facilitating multi-region/BANK interfaces. Similarly, a GT quad can also drive the BUFMRs

下面这个表格解释的就更加清晰了，MRCC和SRCC都是由外部的时钟驱动，而且MRCC和SRCC的区别就在于MRCC可以驱动BUFMR，SRCC不行。其他基本都一样，它们都可以驱动四个BUFIO、四个BUFR、一个CMT、上下相邻的CMT、16个BUFG和BUFH。

其中有一点很关键，就是它们都可以驱动BUFG和BUFH，这就意味着，从MRCC和SRCC进来的时钟都可以access全局时钟树，也就都可以当做全局时钟。

Clock-capable inputs are organized as 2 MRCC and 2 SRCC pairs in each I/O BANK. SRCCs access a single clock region and the global clock tree, as well as other CMTs above and below in the same column. SRCCs can drive:

• Regional clocks lines (BUFR, BUFH, BUFIO) within the same clock region

• CMTs in the same clock region and adjacent clock regions.

• Global clocks lines (BUFG) in the same top/bottom half of the device.

MRCCs can access multiple clock regions and the global clock tree. MRCCs function the same as SRCCs and can additionally drive multi-clock region buffers (BUFMR) to access up to three clock regions.

所以，SRCC进来的时钟，虽然不能直接驱动其他Clock Region，但接到BUFG上之后，仍然可以通过BUFG来驱动其他的Clock Region。

MRCCs that are located in the same clock region and on the same left/right side of the device drive:

同一个Clock Region里的MRCC可以驱动下面那些模块，那为什么区分the same left/right side呢？因为FPGA里面有个纵向的Clock Backbone，以这个为间隔分成了左右两部分，所有的全局时钟都在这个Clock Backbone里面。

这个表里面还提到一句：

MRCCs within the same half top/bottom drive:

BUFGs

这里为什么又要求是上下了呢？这个问题的答案还是在第一篇文章，FPGA里面有个Horizontal Center，将FPGA的BUFG分割成上下相等的两部分，上下各有16个BUFG。

时钟资源总结

Virtex-5带GC的引脚为全局时钟，CC为局部时钟，Kinkex-7的全局时钟为MRCC，SRCC为局部时钟，并且MRCC和SRCC的区别是BUFIO部分，MRCC可以采样包括自己和相邻BANK在内的3个BANK的，SRCC用BUFIO的时候只能采样自己的BANK，但是这两个都可以接到BUFG来使用。