三叔学FPGA系列之一：Cyclone V中的时钟资源

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之前的项目中更多的是有师兄提供经验和帮助，追求的是快速上手，所以不管对于硬件电路设计，还是verilog电路编程，甚至是FPGA内部的资源，都没来得及系统地学习，最近在做算法到电路的实现，正好系统学习，将感悟记于此，如有错误，欢迎指出、讨论。

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原创不易，转载请转原文，注明出处，谢谢。

 

一、关于时钟引脚

FPGA芯片一般有好几组时钟引脚 CLK [0..N] [p，n]，我的理解是：首先，时钟必须由外部晶振通过CLK引脚输入到FPGA的时钟网络，至于选用哪一组CLK，主要看FPGA哪个bank对时钟要求最为苛刻；其次，一般用p端，n端由quartus置位三态；再次，对于简单的系统，只有一组CLK输入作为系统主时钟，其他时钟引脚空置，或者作为某些高带载能力的时钟的输出口（是否可作为输出口，要看芯片手册）；然后，复杂系统，可以有不同源的时钟分别从不同CLK引脚输入，只是猜想，没实践过，个人认为这样不好，因为FPGA的核心就是同步；另外，不要把CLK引脚和全局时钟、区域时钟什么的混为一谈，一个是时钟输入引脚，一个是内部时钟走线；最后，CLK引脚进去的走线肯定进过优化的（H型铜皮，专用的、直达每个触发器的布线资源），所以能做到小的抖动和偏斜，带载能力

图1

图2

图1所示：红圈为时钟输入引脚，当然，从时钟引脚输入的时钟必定首先进入全局时钟网络，再进一步驱动区域时钟，或者由PLL进行分/倍频==；三个黑色方框内PLL输出引脚，我的理解是：这几组引脚的布线也经过了优化，可以使PLL分/倍频后输出的时钟信号质量较好。

图2所示：CLK9p作为系统唯一的外部输入时钟源，需要注意，单端输入时，只有p端是与内部PLL相连的；CLK1[p，n]作为差分时钟输出引脚，由内部PLL驱动，输出作为AD时钟。

二、内部时钟资源

全局时钟（GCLK）网络、区域时钟（RCLK）网络、外设时钟（PCLK）（一般出现在集成了某些外设的FPGA中，个人理解）网络

1. 全局时钟：FPGA内部的专用全局时钟布线资源（图4上），具有直达每一个触发器的能力，且布线资源经过优化，时钟经过它传输后具有高扇出、最小的偏斜和抖动等。但也因为是全局布线相较于区域时钟，会有较大的插入延时（手册也这么说），而且资源较少（且用且珍惜）。全局时钟网络：1）可由CLK引脚、内部PLL、高速串口（HSSI）、普通逻辑电路产生的时钟（一般不这么干）驱动；2）可驱动所有输出引脚（尤其是CLK引脚，输出作为其他芯片的基础时钟）、内部PLL、区域时钟。
2. 区域时钟：只在他们自己所在的区域有效（图4下），相当于区域内的全局时钟，在区域内，具有全局时钟的优点，且插入延时比全局时钟小，布线资源也比较多。区域时钟网络：1）可由CLK引脚（注意区域）、内部PLL、高速串口（HSSI）、普通逻辑电路产生的时钟（一般不这么干）驱动；2）可驱动所有输出引脚（尤其是CLK引脚，输出作为其他芯片的基础时钟）、内部PLL。
3. 外设时钟：没用到，查手册。

图3

图4

         ******注意******

1. 常规操作：外部晶振—>时钟引脚—>PLL—>区域时钟、各个模块、输出（待验证和完善，我也迷）。
2. 关于CLK引脚选择：不是所有的CLK引脚都可以连接到所有的全局/区域时钟网路，见图5。
3. 关于PLL：不是所有始终都可以驱动PLL，详见手册，如图6所示。

图5

图6

三、时钟资源的使用、分配

20181101提出

• 疑问：编写逻辑电路，或者布局布线时，我怎么知道某个时钟具体使用了哪种、哪个网络？以及怎么人为地控制使用具体某个网络？

20181102补充

• 除非是时钟资源（尤其是全局时钟资源）紧张，或者需要进行时序优化，否则，一般不用过于关心这些资源怎么使用的，quartus会根据电路逻辑，自动选择最优的布局布线。
• 实际上，根据硬件电路和逻辑电路，也能推断出用了多少全局时钟、区域时钟。
• 比如：clk0=50MHz，然后它在几个always中都被用到，而这几个always占用的逻辑资源分布在不同的区域，那么这个时钟应该是全局时钟；再比如：clk1=100MHz，它只在一个always里被使用，或使用它的逻辑资源都在一个区域，那么clk1应该是区域时钟。