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就是由于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周期的一個分數。

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系列為例）

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）

-- 上面最后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、占空比調整：這個對所有時鐘輸出都施加，占空比為50%。

1/4周期相移輸出（CLK0/90/180/270）：是CLKIN的1/4周期相移輸出。

半周期相移輸出（CLK0/180、CLK2X/180、CLKFX/180）：相差為180度的成對時鐘輸出。

相移精度：最高精度為時鐘周期的1/256。

時鐘輸出：9個

到全局時鐘網的時鐘輸出：最多9個中的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只有4個。

DCM的位置在哪？

我們以Spartan3系列為例。

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。四個角上各趴著一個DCM。上邊緣和下邊緣中間則各趴著一個全局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，很丑是吧，呵呵。

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也成為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。因為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，然后在內部進行補償。

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就不具有相位關系，因為沒有延遲補償，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。

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，常用于FPGA系統中復雜的時鐘管理。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向導產生，也可以直接通過下面的例化代碼直接使用。其Verilog的例化代碼模板為：

// 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庫向導版本，ISE 9.1

DCM_BASE #（

.CLKDV_DIVIDE（2.0），

// CLKDV分頻比可以設置為： 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，可為1到32之間的任意整數

.CLKFX_MULTIPLY（4），

// CLKFX信號的倍頻比，可為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，可設置為TRUE/FALSE

.CLKIN_PERIOD（10.0），

// 指定輸入時鐘的周期，單位為Ns，數值范圍為1.25~1000.00。

.CLKOUT_PHASE_SHIFT（“NONE”），

// 指定移相模式，可設置為NONE或FIXED

.CLK_FEEDBACK（“1X”），

// 指定反饋時鐘的頻率，可設置為NONE、1X或2X。相應的頻率關系都是針對CLK0而言的。

.DCM_PERFORMANCE_MODE（“MAX_SPEED”），

// DCM模塊性能模式，可設置為 MAX_SPEED 或 MAX_RANGE

.DESKEW_ADJUST（“SYSTEM_SYNCHRONOUS”），

// 抖動調整，可設置為源同步、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，可設置為LOW或HIGH 兩種頻率模式

.DLL_FREQUENCY_MODE（“LOW”），

// DLL的頻率模式，可設置為LOW、HIGH或HIGH_SER

.DUTY_CYCLE_CORRECTION（“TRUE”），

// 設置是否采用雙周期校正，可設為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，可設置為 -255 ~ 1023之間的任意整數

.STARTUP_WAIT（“FALSE”）

// 等DCM鎖相后再延遲配置DONE管腳，可設置為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，分頻比為CLKDV_DIVIDE

.CLKFX（CLKFX）， // DCM合成時鐘輸出，分頻比為（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

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的技術屬于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的工作范圍也是受限的。由于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為整個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，對于時鐘的質量也有一定限制，主要有3個：

1. CLKIN Cycle-To-Cycle Jitter：約束了前后兩個CLKIN周期的差異；

2. CLKIN Period Jitter：約束了100萬個Cycle中最大周期和最小周期之間的差異；

3. CLKFB Path Delay Variation：約束了從外部進來的反饋回路的延遲波動，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，知道有這么回事就可以了。

LOCKED信號的行為方式

LOCKED信號用于指示整個DCM系統已經和CLKIN同步，從LOCKED信號有效開始，輸出時鐘才可以使用，在此之前，輸出時鐘可能會處于各種復雜的不穩定狀態。我們來看一下LOCKED信號的行為狀態機。

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——重啟鎖定

RST信號用于在時鐘不穩定或者失去鎖定時，將DCM的相關功能重置，從而重新啟動鎖定追蹤。

作為一個輸入信號，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 生成向導

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（采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中啟動界面；

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信號有效后方能有效。

- 選擇CLKIN是否要除2。由于DCM的輸入頻率有限，對于過高的輸入時鐘通過除2使之可用。

- Deskew調整，這個選項建議在咨詢Xilinx工程師后再使用。

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

- 由于全局時鐘網絡的入口有限，用戶可以定制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，但是配置為有使能信號控制，簡稱BUFGCE

- Clock MUX：還是上面的4個全局時鐘Buffer，但是配置為 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

- 對于Enabled Buffer類型和Clock Mux類型，需要指定En口的名字

- 需要為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，然后按Calculate，自動生成 M/D 值和 Jitter 值

- 或者手動設置 M/D 值，然后按Calculate，自動生成頻率和 Jitter 值

7. 最后輸出所需的3種文件。