FPGA管脚分配时需注意的一些事项

1万 · 2012-9-20 23:31

FPGA管脚分配时需注意的一些事项（以xilinx xc4vsx55为例）
平台：XC4VSX55 ISE10.1
设计过FPGA的原理图，看FPGA的手册，说管脚的分配问题，如时钟管脚要用GC类管脚，而且单端时钟输入时要用P类型的管脚，不能用N类型管脚等等。
一直以来都没有试验过，今天试验一把，以求各种验证。
1）GC类全局时钟管脚是否可用作普通IO使用？
所谓GC类管脚，就是在管脚的称是诸如IO_L1P_GC_LC等带有GC的管脚。其实手册中说的是GC类管脚可以用作IO的，但在《Xilinx FPGA开发实用教程》（清华出版社）574页倒数第八行提到：“所有从全局时钟管脚输入的信号必须经过IBUF元，否则在布局布线时会报错”，于是今天我试了一下，将某一GC类管脚分配给一个普通的输入口（也试验了分配给一个普通的输出口），经布局布线后，未出错。
因此得出结论：GC类全局时钟管脚可以作为普通IO使用。（不知道是不是我对书中提到的全局时钟管脚理解有误，如果是，请网友别拍我，敬请留言指正）
2）非GC类全局时钟管脚是否可以作时钟使用？
其实至于说能否作为时钟使用，这里有另一层函义。当然，如果你把一个普通IO口配置成输入口，就把它的输入信号作为时钟，那是没问题的。但我们一般不这么做，因为时钟信号对于我们来说是一个很重要的信号，因此FPGA在内部会有特殊照顾，如果你使用FPGA传门为时钟预留的管脚，并作一些处理，那么你的时钟对于各种模块的时延是可以忽略的，因为时钟在布线时是单独走的一层，而如果你就仅用普通IO的话，经过FPGA内部布局布线后，从它的输到，再到各个使用时钟的地方，有的线长，有的线短，它的时延将是不一样的。这些东西还是看一些FPGA结构的内容吧。
在xilinx里有专门的DCM IP核可供调用，在ISE中执行project——>New Source——>IP(CORE Generator & Architecture Wizard)——>FPGA Features and Design——>Clocking——>Virtex-4——>Single DCM ADV v9.1i，可得如下界面：

需要特别注意的是CLKIN Source需要选择是External还是Internal，各自生成的源文件如下：
==========================选择External=========================
`timescale 1ns / 1ps
module clk_test(CLKIN_IN,
CLKIN_IBUFG_OUT,
CLK0_OUT,
LOCKED_OUT);
input CLKIN_IN;
output CLKIN_IBUFG_OUT;
output CLK0_OUT;
output LOCKED_OUT;
wire CLKFB_IN;
wire CLKIN_IBUFG;
wire CLK0_BUF;
wire GND_BIT;
wire [6:0] GND_BUS_7;
wire [15:0] GND_BUS_16;
assign GND_BIT = 0;
assign GND_BUS_7 = 7'b0000000;
assign GND_BUS_16 = 16'b0000000000000000;
assign CLKIN_IBUFG_OUT = CLKIN_IBUFG;
assign CLK0_OUT = CLKFB_IN;
IBUFG CLKIN_IBUFG_INST (.I(CLKIN_IN),
.O(CLKIN_IBUFG));
BUFG CLK0_BUFG_INST (.I(CLK0_BUF),
.O(CLKFB_IN));
DCM_ADV DCM_ADV_INST (.CLKFB(CLKFB_IN),
.CLKIN(CLKIN_IBUFG),
.DADDR(GND_BUS_7[6:0]),
.DCLK(GND_BIT),
.DEN(GND_BIT),
.DI(GND_BUS_16[15:0]),
.DWE(GND_BIT),
.PSCLK(GND_BIT),
.PSEN(GND_BIT),
.PSINCDEC(GND_BIT),
.RST(GND_BIT),
.CLKDV(),
.CLKFX(),
.CLKFX180(),
.CLK0(CLK0_BUF),
.CLK2X(),
.CLK2X180(),
.CLK90(),
.CLK180(),
.CLK270(),
.DO(),
.DRDY(),
.LOCKED(LOCKED_OUT),
.PSDONE());
defparam DCM_ADV_INST.CLK_FEEDBACK = "1X";
defparam DCM_ADV_INST.CLKDV_DIVIDE = 2.0;
defparam DCM_ADV_INST.CLKFX_DIVIDE = 1;
defparam DCM_ADV_INST.CLKFX_MULTIPLY = 4;
defparam DCM_ADV_INST.CLKIN_DIVIDE_BY_2 = "FALSE";
defparam DCM_ADV_INST.CLKIN_PERIOD = 16.129;
defparam DCM_ADV_INST.CLKOUT_PHASE_SHIFT = "NONE";
defparam DCM_ADV_INST.DCM_AUTOCALIBRATION = "TRUE";
defparam DCM_ADV_INST.DCM_PERFORMANCE_MODE = "MAX_SPEED";
defparam DCM_ADV_INST.DESKEW_ADJUST = "SYSTEM_SYNCHRONOUS";
defparam DCM_ADV_INST.DFS_FREQUENCY_MODE = "LOW";
defparam DCM_ADV_INST.DLL_FREQUENCY_MODE = "LOW";
defparam DCM_ADV_INST.DUTY_CYCLE_CORRECTION = "TRUE";
defparam DCM_ADV_INST.FACTORY_JF = 16'hF0F0;
defparam DCM_ADV_INST.PHASE_SHIFT = 0;
defparam DCM_ADV_INST.STARTUP_WAIT = "FALSE";
endmodule
==========================选择Internal=========================
`timescale 1ns / 1ps
module clk1_test(CLKIN_IN,
CLK0_OUT,
LOCKED_OUT);
input CLKIN_IN;
output CLK0_OUT;
output LOCKED_OUT;
wire CLKFB_IN;
wire CLK0_BUF;
wire GND_BIT;
wire [6:0] GND_BUS_7;
wire [15:0] GND_BUS_16;
assign GND_BIT = 0;
assign GND_BUS_7 = 7'b0000000;
assign GND_BUS_16 = 16'b0000000000000000;
assign CLK0_OUT = CLKFB_IN;
BUFG CLK0_BUFG_INST (.I(CLK0_BUF),
.O(CLKFB_IN));
DCM_ADV DCM_ADV_INST (.CLKFB(CLKFB_IN),
.CLKIN(CLKIN_IN),
.DADDR(GND_BUS_7[6:0]),
.DCLK(GND_BIT),
.DEN(GND_BIT),
.DI(GND_BUS_16[15:0]),
.DWE(GND_BIT),
.PSCLK(GND_BIT),
.PSEN(GND_BIT),
.PSINCDEC(GND_BIT),
.RST(GND_BIT),
.CLKDV(),
.CLKFX(),
.CLKFX180(),
.CLK0(CLK0_BUF),
.CLK2X(),
.CLK2X180(),
.CLK90(),
.CLK180(),
.CLK270(),
.DO(),
.DRDY(),
.LOCKED(LOCKED_OUT),
.PSDONE());
defparam DCM_ADV_INST.CLK_FEEDBACK = "1X";
defparam DCM_ADV_INST.CLKDV_DIVIDE = 2.0;
defparam DCM_ADV_INST.CLKFX_DIVIDE = 1;
defparam DCM_ADV_INST.CLKFX_MULTIPLY = 4;
defparam DCM_ADV_INST.CLKIN_DIVIDE_BY_2 = "FALSE";
defparam DCM_ADV_INST.CLKIN_PERIOD = 16.129;
defparam DCM_ADV_INST.CLKOUT_PHASE_SHIFT = "NONE";
defparam DCM_ADV_INST.DCM_AUTOCALIBRATION = "TRUE";
defparam DCM_ADV_INST.DCM_PERFORMANCE_MODE = "MAX_SPEED";
defparam DCM_ADV_INST.DESKEW_ADJUST = "SYSTEM_SYNCHRONOUS";
defparam DCM_ADV_INST.DFS_FREQUENCY_MODE = "LOW";
defparam DCM_ADV_INST.DLL_FREQUENCY_MODE = "LOW";
defparam DCM_ADV_INST.DUTY_CYCLE_CORRECTION = "TRUE";
defparam DCM_ADV_INST.FACTORY_JF = 16'hF0F0;
defparam DCM_ADV_INST.PHASE_SHIFT = 0;
defparam DCM_ADV_INST.STARTUP_WAIT = "FALSE";
endmodule

1万 · 2012-9-20 23:31

比较以上两段代码，区别在于选择是External时CLKIN经过了IBUFG才到的DCM_ADV，而选择Internal的CLKIN则直接到了DCM_AV，而IBUFG就是原语“全局时钟缓冲”单元，我们使用时要选择External，只有当我们的级联两个DCM模块时，直接与外面相连的选External，而另一个选择Internal。
这也是本文的一个知识点吧：两个DCM级联时，直接与外面相连的选External，而另一个选择Internal。
所以本段的主题是“非GC类全局时钟管脚是否可以作时钟使用？”其实更多应该指的是“非GC类全局时钟管脚是否可以接到IBUFG？”
试验中，我们将External的DCM的输入CLKIN输入引脚配置成一个普通的IO口，即非GC类全局时钟管脚，布局布线阶段出现以下错误：
ERROR:Place:645 - A clock IOB clock component is not placed at an optimal clock IOB site. The clock IOB component
因此得出结论：非GC类全局时钟管脚不可以作时钟使用（其实是不可以接到IBUFG的输入端）。
3）在Xilinx手册中提到，如果使用单端输入时钟，要使用P类型GC全局时钟管脚，那么空间N类型的管脚是否可以么？
所谓P类型还是N类型其实指的是IO_L1P_GC_LC或IO_L1N_GC_LC，注意这里的L1P和L1N，这就标识这个管脚是P类型还是N类型。
试验中，我们将N类型全局时钟管脚配置给CLKIN，结果布局布线时出现与（2）中一样的错误。
因此得出结论：GC类全局时钟管脚N类型管脚不可以作为单端时钟输入管脚（其实也是不能作为IBUFG的输入端）
4）差分时钟输入时钟管脚能否配置普通IO？N类型管脚和P类型管脚必须分别给配置P类型GC全局时钟管脚和N类型GC全局时钟管脚？
<4.1>使用了一对普通IO配置给DCM的CLKIN_N_IN和CLKIN_P_IN，并且将这对普通的IO的P型分配给DCM的CLKIN_N_IN型输入，IO的N型分配给DCM的CLKIN_P_IN型输入，出现如下错误：
ERROR:Place:604 - The I/O components "clkp" and "clkn" are the P- and N-sides of a differental I/O pair. The component
<4.2>使用了一对普通IO配置给DCM的CLKIN_N_IN和CLKIN_P_IN，并且对应地将这对普通的IO的P型分配给DCM的CLKIN_P_IN型输入，IO的N型分配给DCM的CLKIN_N_IN型输入，出现如下错误：
ERROR:Place:645 - A clock IOB clock component is not placed at an optimal clock IOB site. The clock IOB component
<4.3>使用一对GC类全局时钟IO管脚配置给DCM的CLKIN_N_IN和CLKIN_P_IN，并且将这对普通的IO的P型分配给DCM的CLKIN_N_IN型输入，IO的N型分配给DCM的CLKIN_P_IN型输入，出现与4.1中相同的错误。
<4.4>正常配置，即使用了一对GC类全局时钟IO管脚配置给DCM的CLKIN_N_IN和CLKIN_P_IN，并且对应地将这对普通的IO的P型分配给DCM的CLKIN_P_IN型输入，IO的N型分配给DCM的CLKIN_N_IN型输入，则完全正确。
因此得出结论：差分时钟输入时必须使用一对GC类全局时钟IO管脚配置给DCM的CLKIN_N_IN和CLKIN_P_IN，且N类型和P类型要匹配。
其实这个归根到底还是原语IBUFGDS在作怪，查看一下差分输入DCM的原文件就行了：
IBUFGDS CLKIN_IBUFGDS_INST (.I(CLKIN_P_IN),
.IB(CLKIN_N_IN),
.O(CLKIN_IBUFGDS));
5）那么如果将输入输出口配置成非IO管脚会怎么样呢？
在试验中，将某一VCCO配置成了给了输出口，结果在映射阶段出现如下错误：
ERROR:MapLib:30 - LOC constraint AF17 on q<2> is invalid: No such site on the
因此，不能将输入输出口配置成非IO管脚，当然这样配置本身也是不合理的。