3第2章2 FPGACPLD基本结构及原理(2)

2019-03-29 15:30

图2.12 LAB控制信号示意图

LAB的清除信号是针对寄存器的,LE可通过异步清除信号直接清除。每个LAB最多支持2个异步清除信号:labclrl和labclr2。LAB不支持异步加载功能。

除上述的同步清除和异步清除控制之外,Cyclone II系列FPGA还支持芯片范围的清除功能。DEV-CLRn可以清除FPGA上所有寄存器的值,而且其优先级高于所有的控制信号。 4、MultiTrack互连

Cyclone II系列FPGA内部M4K RAM、嵌入式乘法器、LE、IOE之间的互连由釆用Direct Drive技术的MultiTrack互连结构完成。

MultiTrack互连线由连续的不同长度的性能经过优化的连线组成,用以进行不同设计模块之间的通信。Direct Drive技术是专有的确定连线技术,它确保任何功能无论在器件的什么位置都具有一致的布线。这项技术免除了由改变设计引起的系统重优化过程,从而大大简化了模块设计的系统集成过程,使得设计者可以自由添加、修改和移动设计的不同部分,而不会对设计的性能造成不利影响。

Cyclone II系列FPGA的MultiTrack互连由跨越固定距离的行互连(直接连接、R4和R24)与列互连(寄存器链、C4和C6)组成。对在不同器件中实现的布线,MultiTrack可以保证布线长度具有可预测性与重复性,从而可方便地实现在不同密度器件上的移植设计。

Cyclone II系列FPGA内部各功能模块之间的互连途径见表2.3。

表2.3 Cyclone II系列FPGA内部各功能模块之间的互连途径 源\\寄本直R4R24C4C16LE M4K 乘PLL 列行目 存地接互互互互RAM 法IOE IOE \\器互连连 连 连 连 器 标 链 连 接 寄存 √ 器链 本地 √ √ √ √ √ √ 互连 直接 √ 连接 R4 √ √ √ √ 互连 R24 √ √ √ √ 互连 C4 √ √ √ √ √ 互连 C16 √ √ √ √ 互连 LE √ √ √ √ √ M4K √ √ √ √ RAM 乘法 √ √ √ √ 器 PLL √ √ √ 列 √ √ IOE 行 √ √ √ √ IOE 5、全局时钟网络及锁相环 Cyclone II系列FPGA通过全局时钟网络和锁相环实现时钟管理。Cyclone II系列FPGA最多可以有4个锁相环和16个全局时钟网络。每个全局时钟网络由独立的时钟控制块来实现其时钟源的动态选择。PLL时钟输出、CLK引脚输入、DPCLK引脚输入及内部逻辑都可以驱动全局时钟网络。不同Cyclone II器件的时钟资源如表2.4所示。

表2.4 Cyclone II器件的时钟资源 器件 PLLCLKDPCLK引全器件 PLLCLKDPCLK 全数量 引脚脚数量 局数量 引脚局数量 时数量 时钟钟网网络络数数量 量 EP2C5 2 8 8 8 EP2C35 4 16 20 16 EP2C8 2 8 8 8 EP2C50 4 16 20 16 EP2C20 4 16 20 16 EP2C70 4 16 20 16 Cyclone II系列中,EP2C20及以上FPGA的PLL、CLK引脚、DPCLK引脚及时钟控制块的分布如图2.13所示。FPGA每边有4个时钟控制块,在FPGA的4个角的每一个角上各有两个DPCLK引脚,称作CDPCLK,这两个DPCLK引脚同时只能有一个作为时钟输入,另一个作为GPIO使用。

图2.13 EP2C20及以上FPGA的PLL、CLK引脚、

DPCLK引脚及时钟控制块的分布

EP2C20以上的Cyclone II系列FPGA有16个时钟输入专用引脚,每边4个。如果不作时钟输入使用,则可以通过MultiTrack互连作为通用输入引脚,但只能使用基于LE的寄存器,而不支持基于LOE的寄存器。

EP2C20以上的Cyclone II系列FPGA共有20个双用途时钟输入引脚(左右各4个、上下各2个以及芯片4个角的每个角上各2个)。CDPCLK引脚输入的时钟信号先经过复用之后才进入时钟控制块,与其他的DPCLK相比,会产生额外的延迟。在DPCLK的引脚输入和驱动输出之间有一个可编程延迟链,用于设定其传播延时,可以用Quartus II软件中的“Input Delay from Dual-Purpose Clock Pin to Fan-Out Destinations”设置延时。DPCLK可以连接到全局时钟网络上用作时钟、异步清除、预置、时钟使能信号,也可以用作类似于PCI接口中的TRDY(Target Ready)、IRDY(Initiator Ready)和外部存储器接口中的DQS等协议控制信号。

全局时钟网络可以为FPGA上的各种资源(如LE、IOE、嵌入式乘法器、M4K RAM)提供时钟源,也可以作为控制信号(如时钟、异步清除、预置、时钟使能信号等),还可以用作类似于PCI接口中的TRDY、IRDY和外部存储器接口中的DQS等协议控制信号。

每一个全局时钟网络都有一个时钟控制块,用以动态选择该时钟网络的时钟源以及使能或禁用该时钟网络。以下信号可以作为时钟控制块的输入:与时钟控

制块在同一侧的4个时钟输入引脚,PLL的3个PLL时钟输出,与时钟控制块在同一侧的4个DPCLK引脚(包括CDPCLK引脚)以及4个片内逻辑生成的信号。但同时最多只能有2个时钟输入引脚、2个PLL时钟、1个DPCLK引脚和1个内部信号输入。这6个输入中,2个PLL时钟和2个时钟输入引脚可以动态地选择,以驱动全局时钟网络,而DPCLK引脚输入和内部信号输入只能静态地选择。时钟控制块的原理如图2.14所示。

图2.14中的CLKSWITCH信号可以在配置文件中设置,或者在使用手动PLL转换特性时动态切换。CLKSELECT[1..0]由内部逻辑产生,当器件工作在用户模式时,可以用来动态选择时钟网络的时钟源。静态时钟的选择在配置文件中实现,不能在用户模式下控制。在用户模式下,可以通过CLKENA动态地使能或禁止全局时钟网络。

图2.14时钟控制块的原理

Cyclone II系列FPGA器件使用复用器将16个全局时钟网络组合成一个6位总线,作为列IOE时钟、LAB行时钟和行IOE时钟,如图2.15所示。在LAB层面上,再用复用器将6个LAB行时钟分配给该LAB中的LE寄存器。LAB行时钟可以为LAB、M4K RAM、嵌入式乘法器和行I/O提供时钟。

图2.15 EP2C20以上器件的时钟分配

Cyclone II系列FPGA的PLL为器件提供通用时钟,它具有以下特性: (1)输入时钟的倍频和分频。(2)时钟移相。(3)可编程的占空比。(4)三个内部时钟输出。(5)—个专用的外部时钟输入。(6)支持差分时钟输出。(7)支持手动时钟切换。(8)支持三种差分时钟反馈模式。(9)锁定指示输出。(10)具有专门的控制信号。

图2.16 PLL的结构

EP2C20以上的Cyclone II系列FPGA器件都有4个PLL。PLL的结构如图2.16所示。PLL主要完成压控振荡器VCO的输出频率(率及相位的同步。输入频率

fVCO)与输入参考信号频

fIN经m分频后进入鉴频鉴相器PFD,经PLL锁定

后,PFD的两个输入具有相同的频率,即

fINfVCO? mn?k一般

k取1,也可以设置为2,当k取1时,有fVCOfIN??n。

mPLL输出到全局时钟网络或外部时钟电路的时钟频率为

fVCOfIN??n。

m?c,即移相的分辨率是压控振荡器VCO的周期除以8,如果VCO的频率为

m和c的取值范围为1?32,n的取值范围为1?4。

Cyclone II系列FPGA的PLL具有可编程的时钟移相能力,移相的步长最小为

45o1/8?125ps。 1000MHz,则分辨率为

1000MHzPLL的输出不仅可以驱动全局时钟,其c2输出还可以驱动专用的PLL输出引脚

PLL?#?_OUT。


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