DCM使用詳解
本文翻譯自Using Digital Clock Managers (DCMs) in Spartan-3 FPGAs
DCM主要功能
1. 分頻倍頻：DCM可以將輸入時鐘進行multiply或者divide，從而得到新的輸出時鐘。
2. 去skew：DCM還可以消除clock的skew，所謂skew就是由於傳輸引起的同一時鐘到達不同地點的延遲差。
3. 相移：DCM還可以實現對輸入時鐘的相移輸出，這個相移一般是時鐘週期的一個分數。
4. 全局時鐘：DCM和FPGA內部的全局時鐘分配網絡緊密結合，因此性能優異。
5. 電平轉換：通過DCM，可以輸出不同電平標準的時鐘。
DCM的特點與能力（Spartan-3系列爲例）
數量：4 DCM / FPGA（也有例外）
-- 應該夠用了
數字頻率綜合器輸入（CLKIN）：1-280MHz
延遲鎖相環輸入（CLKIN）：18-280MHz
時鐘輸入源（CLKIN）：
? Global buffer input pad
? Global buffer output
? General-purpose I/O (no deskew)
? Internal logic (no deskew)
-- 上面最後兩個分別是外部的普通IO口和內部的邏輯，沒有deskew，所以時鐘質量不會很好。
頻率綜合器輸出（CLKFX、CLKFX180）：是CLKIN的M/D倍，其中
M=2..32
D=1..32
-- 這樣看來最大能倍頻32倍，最小能16分頻。
時鐘dividor輸出（CLKDV）：是CLKIN的下列分頻
1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 5.5, 6, 6.5, 7, 7.5, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, or 16
-- 發現沒有，最大的分頻也是16。不過能支持半分頻，比用頻率綜合器方便。
倍頻輸出（CLK2X、CLK2X180）：CLKIN的2倍頻
時鐘conditioning、佔空比調整：這個對所有時鐘輸出都施加，佔空比爲50%。
1/4週期相移輸出（CLK0/90/180/270）：是CLKIN的1/4週期相移輸出。
半週期相移輸出(CLK0/180、CLK2X/180、CLKFX/180)：相差爲180度的成對時鐘輸出。
相移精度：最高精度爲時鐘週期的1/256。
時鐘輸出：9個
到全局時鐘網的時鐘輸出：最多9箇中的4個
到General purpose互聯：最多9個
到輸出腳：最多9個
-- 可見9個時鐘輸出可以隨意鏈接內部信號或者外部輸出，但是進入全局時鐘網的路徑最多隻有4個。
DCM的位置在哪？
我們以Spartan3系列爲例。
FPGA看上去就是一個四方形。最邊緣是IO pad了。
除去IO pad，內部還是一個四方形。
四個角上各趴着一個DCM。
上邊緣和下邊緣中間則各趴着一個全局Buffer的MUX。
這樣的好處是四個DCM的輸出可以直接連接到全局Buffer的入口。
下面是手繪簡圖
DCM是全局時鐘網絡可選的一部分
一般，時鐘通過一個“全局輸入buffer”和“全局時鐘buffer” 進入全局時鐘網絡。如下所示
GCLK --->（ IBUFG ---> BUFG） ---> low skew global clock network
在需要的時候，DCM也成爲全局時鐘網絡的一環。
DCM 內部構成一覽
1. DLL 延遲鎖定環
說是延遲鎖定環，但是我覺得叫做延遲補償環更加貼切。因爲DLL的主要功能是消除輸入時鐘和輸出時鐘之間的延遲，使得輸入輸出在外部看來是透明連接。
實現這種功能的原理是：DLL通過輸出時鐘CLK0或者CLK2X觀察實際的線路延遲，然後在內部進行補償。
一句話，DLL的核心功能是無延遲。
DLL的輸出是CLK0, CLK90, CLK180, CLK270, CLK2X, CLK2X180, 和 CLKDV。
2. DFS 數字頻率綜合
DFS的主要功能是利用CLKIN合成新的頻率。
合成的參數是：M（multiplier）和 D（divisor）。通過MD的組合實現各種倍頻和分頻。
如果不使用DLL，則DFS的合成頻率和CLKIN就不具有相位關係，因爲沒有延遲補償，相位就不再同步。
3. PS 相位偏移
注意這個相位偏移不是DLL中輸出CLK90/180/270用的。這個PS可以令DCM的所有9個輸出信號都進行相位的偏移。偏移的單位是CLKIN的一個分數。
也可以在運行中進行動態偏移調整，調整的單位是時鐘的1/256。
這個功能我們平時不常用。
4. 狀態邏輯
這個部分由 LOCKED 信號和 STATUS[2:0] 構成。LOCKED信號指示輸出是否和CLKIN同步（同相）。STATUS則指示DLL和PS的狀態。
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DCM_BASE
DCM_BASE是基本數字時鐘管理模塊的縮寫，是相位和頻率可配置的數字鎖相環電路，常用於FPGA系統中複雜的時鐘管理。如果需要頻率和相位動態重配置，則可以選用DCM_ADV原語；如果需要相位動態偏移，可使用DCM_PS原語。DCM系列原語的RTL結構如圖3-8所示。
模塊接口信號的說明如表3-8所列。
DCM_BASE組件可以通過Xilinx的IP Wizard嚮導產生，也可以直接通過下面的例化代碼直接使用。其Verilog的例化代碼模板爲：
// DCM_BASE: 基本數字時鐘管理電路（Base Digital Clock Manager Circuit）
// 適用芯片：Virtex-4/5
// Xilinx HDL庫嚮導版本，ISE 9.1
DCM_BASE #(
.CLKDV_DIVIDE(2.0),
// CLKDV分頻比可以設置爲: 1.5,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5
// 7.0,7.5,8.0,9.0,10.0,11.0,12.0,13.0,14.0,15.0 or 16.0
.CLKFX_DIVIDE(1), // Can be any integer from 1 to 32
// CLKFX信號的分頻比，可爲1到32之間的任意整數
.CLKFX_MULTIPLY(4),
// CLKFX信號的倍頻比，可爲2到32之間的任意整數
.CLKIN_DIVIDE_BY_2("FALSE"),
// 輸入信號2分頻的使能信號，可設置爲TRUE/FALSE
.CLKIN_PERIOD(10.0),
// 指定輸入時鐘的週期，單位爲ns，數值範圍爲1.25~1000.00。
.CLKOUT_PHASE_SHIFT("NONE"),
// 指定移相模式，可設置爲NONE或FIXED
.CLK_FEEDBACK("1X"),
// 指定反饋時鐘的頻率，可設置爲NONE、1X或2X。相應的頻率關係都是針對CLK0而言的。
.DCM_PERFORMANCE_MODE("MAX_SPEED"),
// DCM模塊性能模式，可設置爲 MAX_SPEED 或 MAX_RANGE
.DESKEW_ADJUST("SYSTEM_SYNCHRONOUS"),
// 抖動調整，可設置爲源同步、系統同步或0~15之間的任意整數
.DFS_FREQUENCY_MODE("LOW"),
// 數字頻率合成模式，可設置爲LOW或HIGH 兩種頻率模式
.DLL_FREQUENCY_MODE("LOW"),
// DLL的頻率模式，可設置爲LOW、HIGH或HIGH_SER
.DUTY_CYCLE_CORRECTION("TRUE"),
// 設置是否採用雙週期校正，可設爲TRUE或FALSE
.FACTORY_JF(16'hf0f0),
// 16比特的JF因子參數
.PHASE_SHIFT(0),
// 固定相移的數值，可設置爲 -255 ~ 1023之間的任意整數
.STARTUP_WAIT("FALSE")
// 等DCM鎖相後再延遲配置DONE管腳，可設置爲TRUE/FALSE
) DCM_BASE_inst (
.CLK0(CLK0), // 0度移相的DCM時鐘輸出
.CLK180(CLK180), // 180度移相的DCM時鐘輸出
.CLK270(CLK270), // 270度移相的DCM時鐘輸出
.CLK2X(CLK2X), // DCM模塊的2倍頻輸出
.CLK2X180(CLK2X180), // 經過180度相移的DCM模塊2倍頻輸出
.CLK90(CLK90), // 90度移相的DCM時鐘輸出
.CLKDV(CLKDV), // DCM模塊的分頻輸出，分頻比爲CLKDV_DIVIDE
.CLKFX(CLKFX), // DCM合成時鐘輸出，分頻比爲(M/D)
.CLKFX180(CLKFX180), // 180度移相的DCM合成時鐘輸出
.LOCKED(LOCKED), // DCM鎖相狀態輸出信號
.CLKFB(CLKFB), // DCM模塊的反饋時鐘信號
.CLKIN(CLKIN), // DCM模塊的時鐘輸入信號
.RST(RST) // DCM 模塊的異步復位信號
);
// 結束DCM_BASE模塊的例化過程
在綜合結果分析時，DCM系列原語的RTL結構如圖3-36所示。
圖3-36 DCM模塊的RTL級結構示意圖
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Spartan-3 DCM的兼容性
S3 的DCM和 Virtex-II 以及pro的DCM 功能基本相同。但是S3 DCM的技術屬於3代技術，因此在抗噪性能、相移能力方面有進一步提高。（客觀的說，對我們的普通應用，不是特別重要。）
但是和Spartan-2系列相比，有很大改進。S2系列不叫DCM叫DLL，可見DFS和PS等功能完全是新加入的，所以S2系列其實除了二倍頻幾乎沒有倍頻和分頻能力。從這點來講，S3真的是用起來很爽了。
DCM 輸入時鐘的限制
和所有物理器件一樣，DCM的工作範圍也是受限的。由於DLL和DFS的要求各不相同，因此DCM的輸入頻率的限制也視乎是否同時使用DLL和DFS還是單獨使用其中之一。如果同時使用，則取限制較嚴格者作爲整個DCM系統的限制。我們來看兩者的獨立限制。
呵呵，這部分內容不用記哦，需要的時候查一下軟件或者手冊就可以了。只要明白“CLKIN輸入頻率有限制，而且DLL、DFS同時使用時取其嚴格者” 這些道理就可以了。
除了時鐘限制之外，對於時鐘的質量也有一定限制，主要有3個：
1. CLKIN cycle-to-cycle jitter：約束了前後兩個CLKIN週期的差異；
2. CLKIN period jitter：約束了100萬個cycle中最大週期和最小週期之間的差異；
3. CLKFB path delay variation：約束了從外部進來的反饋迴路的延遲波動，這種延遲波動在概念上其實和jitter如出一轍。
具體數值請查手冊，知道有這麼回事就可以了。
LOCKED信號的行爲方式
LOCKED信號用於指示整個DCM系統已經和CLKIN同步，從LOCKED信號有效開始，輸出時鐘纔可以使用，在此之前，輸出時鐘可能會處於各種複雜的不穩定狀態。我們來看一下LOCKED信號的行爲狀態機。
FPGA配置：
if （CLKIN已經穩定） next_state = 判斷同步；
else next_state = RST_DCM；
判斷同步：
if （已經同步） next_state = 判斷同步；
else next_state = 同步失敗；
同步失敗： next_state = RST_DCM；
RST_DCM： next_state = FPGA配置；
現在來看看各個狀態下的輸出。
case (state)
FPGA配置： LOCKED = 0；
判斷同步： LOCKED = 1；
同步失敗： LOCKED = 0；
RST_DCM：LOCKED = 0；
endcase
RST 信號——重啓鎖定
RST信號用於在時鐘不穩定或者失去鎖定時，將DCM的相關功能重置，從而重新啓動鎖定追蹤。
作爲一個輸入信號，RST無法被DCM自身置位，因此需要我們的應用設計來控制這個RST信號，否則需將其接地。
置位RST會將延遲tap的位置置0，因此可能會產生glitch或者是duty cycle 發生變化，另外相位偏移也會重置回到默認值。
DCM 生成嚮導
安裝了ISE就能得到一系列accessories。利用其中的Architecture Wizard 我們可以生成DCM模塊。生成的DCM將產生3種輸出：
1. 一個例化了DCM的邏輯綜合文件（採用生產商特定格式的VHDL / Verilog）
2. 一個UCF文件控制特定實現
3. 所有其他用戶設置都保存到XAW（Xilinx Architecture Wizard）文件中。
接下來描述一下向導使用步驟。
1. 從ISE或者Arch wizard中啓動界面；
2. 第一個頁面做基本配置：路徑、XAW文件名、VHDL / Verilog選擇、綜合工具、FPGA型號；
3. 進行General setup，一看就明白，不細說，注意一下幾點：
- CLKIN source 如果選 external 則 DCM 的 CLKIN 會自動連接到 IBUFG。
- Feedback如果選 internal 則反饋來自 BUFG。
4. 高級設置
- 選擇FPGA的配置過程是否包含DCM的鎖定，如果是，則配置完成信號DONE將在LOCKED信號有效後方能有效。
- 選擇CLKIN是否要除2。由於DCM的輸入頻率有限，對於過高的輸入時鐘通過除2使之可用。
- Deskew調整，這個選項建議在諮詢xilinx工程師後再使用。
5. 時鐘輸出口 Buffer 設置
- 默認情況下所有輸出口都鏈接 BUFG 全局時鐘網絡入口
- 由於全局時鐘網絡的入口有限，用戶可以定製時鐘輸出口連接到其他類型的Buffer
- Global Buffer：進入全局時鐘網絡的入口Buffer，共有4個，簡稱BUFG
- Enabled Buffer：還是上面的4個全局時鐘Buffer，但是配置爲有使能信號控制，簡稱BUFGCE
- Clock MUX：還是上面的4個全局時鐘Buffer，但是配置爲 2-to-1 MUX類型，由S信號控制選出，簡稱BUFGMUX
- Low skew line：沒有buffer了，只能使用 skew 比較小的連線
- Local Routing：連到本地，skew的要求不是很嚴格
- None：禁止輸出
- 對於Enabled Buffer類型和Clock Mux類型，需要指定En口的名字
- 需要爲輸出時鐘信號指定名字或者使用默認
6. 設置DFS
- 設置目標輸出頻率，然後按calculate，自動生成 M/D 值和 Jitter 值
- 或者手動設置 M/D 值，然後按calculate，自動生成頻率和 Jitter 值
7. 最後輸出所需的3種文件。
參考資料
1) 【翻譯】DCM大魔頭——今天一次把它搞定
http://www.socvista.com/bbs/viewthread.php?tid=1232&extra=&page=1
2) FPGA開發實用教程 第4節 Xilinx公司原語的使用方法1
http://openhw.eefocus.com/html/08-05/37457.shtml
3) Using Digital Clock Managers (DCMs) in Spartan-3 FPGAs
