本文翻译自Using Digital Clock Managers (DCMs) in Spartan-3 FPGAs 

http://www.dzjs.net/html/EDAjishu/2009/0925/3933.html

DCM主要功能1. 分频倍频：DCM可以将输入时钟进行multiply或者divide，从而得到新的输出时钟。2. 去skew：DCM还可以消除clock的skew，所谓skew就是由于传输引起的同一时钟到达不同地点的延迟差。3. 相移：DCM还可以实现对输入时钟的相移输出，这个相移一般是时钟周期的一个分数。4. 全局时钟：DCM和FPGA内部的全局时钟分配网络紧密结合，因此性能优异。5. 电平转换：通过DCM，可以输出不同电平标准的时钟。 

DCM的特点与能力（Spartan-3系列为例）

DCM的位置在哪？我们以Spartan3系列为例。FPGA看上去就是一个四方形。最边缘是IO pad了。除去IO pad，内部还是一个四方形。四个角上各趴着一个DCM。上边缘和下边缘中间则各趴着一个全局Buffer的MUX。这样的好处是四个DCM的输出可以直接连接到全局Buffer的入口。下面是手绘简图，很丑是吧，呵呵。  

DCM是全局时钟网络可选的一部分一般，时钟通过一个“全局输入buffer”和“全局时钟buffer” 进入全局时钟网络。如下所示GCLK --->（ IBUFG ---> BUFG） ---> low skew global clock network在需要的时候，DCM也成为全局时钟网络的一环。  

DCM 内部构成一览1. DLL 延迟锁定环    说是延迟锁定环，但是我觉得叫做延迟补偿环更加贴切。因为DLL的主要功能是消除输入时钟和输出时钟之间的延迟，使得输入输出在外部看来是透明连接。    实现这种功能的原理是：DLL通过输出时钟CLK0或者CLK2X观察实际的线路延迟，然后在内部进行补偿。    一句话，DLL的核心功能是无延迟。    DLL的输出是CLK0, CLK90, CLK180, CLK270, CLK2X, CLK2X180, 和 CLKDV。

2. DFS 数字频率综合    DFS的主要功能是利用CLKIN合成新的频率。    合成的参数是：M（multiplier）和 D（divisor）。通过MD的组合实现各种倍频和分频。    如果不使用DLL，则DFS的合成频率和CLKIN就不具有相位关系，因为没有延迟补偿，相位就不再同步。

3. PS 相位偏移    注意这个相位偏移不是DLL中输出CLK90/180/270用的。这个PS可以令DCM的所有9个输出信号都进行相位的偏移。偏移的单位是CLKIN的一个分数。    也可以在运行中进行动态偏移调整，调整的单位是时钟的1/256。这个功能我们平时不常用。

4. 状态逻辑    这个部分由 LOCKED 信号和 STATUS[2:0] 构成。LOCKED信号指示输出是否和CLKIN同步（同相）。STATUS则指示DLL和PS的状态。 

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DCM_BASE DCM_BASE是基本数字时钟管理模块的缩写，是相位和频率可配置的数字锁相环电路，常用于FPGA系统中复杂的时钟管理。如果需要频率和相位动态重配置，则可以选用DCM_ADV原语；如果需要相位动态偏移，可使用DCM_PS原语。DCM系列原语的RTL结构如图3-8所示。模块接口信号的说明如表3-8所列。  DCM_BASE组件可以通过Xilinx的IP Wizard向导产生，也可以直接通过下面的例化代码直接使用。其Verilog的例化代码模板为：

// DCM_BASE: 基本数字时钟管理电路（Base Digital Clock Manager Circuit） // 适用芯片：Virtex-4/5 // Xilinx HDL库向导版本，ISE 9.1 DCM_BASE #( .CLKDV_DIVIDE(2.0), // CLKDV分频比可以设置为: 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信号的分频比，可为1到32之间的任意整数 .CLKFX_MULTIPLY(4), // CLKFX信号的倍频比，可为2到32之间的任意整数 .CLKIN_DIVIDE_BY_2("FALSE"), // 输入信号2分频的使能信号，可设置为TRUE/FALSE .CLKIN_PERIOD(10.0), // 指定输入时钟的周期，单位为ns，数值范围为1.25~1000.00。 .CLKOUT_PHASE_SHIFT("NONE"), // 指定移相模式，可设置为NONE或FIXED .CLK_FEEDBACK("1X"), // 指定反馈时钟的频率，可设置为NONE、1X或2X。相应的频率关系都是针对CLK0而言的。 .DCM_PERFORMANCE_MODE("MAX_SPEED"), // DCM模块性能模式，可设置为 MAX_SPEED 或 MAX_RANGE .DESKEW_ADJUST("SYSTEM_SYNCHRONOUS"), // 抖动调整，可设置为源同步、系统同步或0~15之间的任意整数 .DFS_FREQUENCY_MODE("LOW"), // 数字频率合成模式，可设置为LOW或HIGH 两种频率模式 .DLL_FREQUENCY_MODE("LOW"), // DLL的频率模式，可设置为LOW、HIGH或HIGH_SER .DUTY_CYCLE_CORRECTION("TRUE"), // 设置是否采用双周期校正，可设为TRUE或FALSE .FACTORY_JF(16'hf0f0), // 16比特的JF因子参数 .PHASE_SHIFT(0), // 固定相移的数值，可设置为 -255 ~ 1023之间的任意整数 .STARTUP_WAIT("FALSE") // 等DCM锁相后再延迟配置DONE管脚，可设置为TRUE/FALSE ) DCM_BASE_inst ( .CLK0(CLK0), // 0度移相的DCM时钟输出 .CLK180(CLK180), // 180度移相的DCM时钟输出 .CLK270(CLK270), // 270度移相的DCM时钟输出 .CLK2X(CLK2X), // DCM模块的2倍频输出 .CLK2X180(CLK2X180), // 经过180度相移的DCM模块2倍频输出 .CLK90(CLK90), // 90度移相的DCM时钟输出 .CLKDV(CLKDV), // DCM模块的分频输出，分频比为CLKDV_DIVIDE .CLKFX(CLKFX), // DCM合成时钟输出，分频比为(M/D) .CLKFX180(CLKFX180), // 180度移相的DCM合成时钟输出 .LOCKED(LOCKED), // DCM锁相状态输出信号 .CLKFB(CLKFB), // DCM模块的反馈时钟信号 .CLKIN(CLKIN), // DCM模块的时钟输入信号 .RST(RST) // DCM 模块的异步复位信号 ); // 结束DCM_BASE模块的例化过程 在综合结果分析时，DCM系列原语的RTL结构如图3-36所示。  图3-36 DCM模块的RTL级结构示意图 

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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的技术属于3代技术，因此在抗噪性能、相移能力方面有进一步提高。（客观的说，对我们的普通应用，不是特别重要。）    但是和Spartan-2系列相比，有很大改进。S2系列不叫DCM叫DLL，可见DFS和PS等功能完全是新加入的，所以S2系列其实除了二倍频几乎没有倍频和分频能力。从这点来讲，S3真的是用起来很爽了。 

DCM 输入时钟的限制    和所有物理器件一样，DCM的工作范围也是受限的。由于DLL和DFS的要求各不相同，因此DCM的输入频率的限制也视乎是否同时使用DLL和DFS还是单独使用其中之一。如果同时使用，则取限制较严格者作为整个DCM系统的限制。我们来看两者的独立限制。     呵呵，这部分内容不用记哦，需要的时候查一下软件或者手册就可以了。只要明白“CLKIN输入频率有限制，而且DLL、DFS同时使用时取其严格者” 这些道理就可以了。    除了时钟限制之外，对于时钟的质量也有一定限制，主要有3个：1. CLKIN cycle-to-cycle jitter：约束了前后两个CLKIN周期的差异；2. CLKIN period jitter：约束了100万个cycle中最大周期和最小周期之间的差异；3. CLKFB path delay variation：约束了从外部进来的反馈回路的延迟波动，这种延迟波动在概念上其实和jitter如出一辙。具体数值请查手册，知道有这么回事就可以了。

LOCKED信号的行为方式LOCKED信号用于指示整个DCM系统已经和CLKIN同步，从LOCKED信号有效开始，输出时钟才可以使用，在此之前，输出时钟可能会处于各种复杂的不稳定状态。我们来看一下LOCKED信号的行为状态机。FPGA配置：    if （CLKIN已经稳定） next_state = 判断同步；    else                         next_state = RST_DCM；判断同步：    if （已经同步）          next_state = 判断同步；    else                         next_state = 同步失败；同步失败：                    next_state = RST_DCM；RST_DCM：                  next_state = FPGA配置；

现在来看看各个状态下的输出。

case (state)    FPGA配置： LOCKED = 0；    判断同步：   LOCKED = 1；    同步失败：   LOCKED = 0；    RST_DCM：LOCKED = 0；endcase

RST 信号——重启锁定    RST信号用于在时钟不稳定或者失去锁定时，将DCM的相关功能重置，从而重新启动锁定追踪。    作为一个输入信号，RST无法被DCM自身置位，因此需要我们的应用设计来控制这个RST信号，否则需将其接地。    置位RST会将延迟tap的位置置0，因此可能会产生glitch或者是duty cycle 发生变化，另外相位偏移也会重置回到默认值。

DCM 生成向导安装了ISE就能得到一系列accessories。利用其中的Architecture Wizard 我们可以生成DCM模块。生成的DCM将产生3种输出：1. 一个例化了DCM的逻辑综合文件（采用生产商特定格式的VHDL / Verilog）2. 一个UCF文件控制特定实现3. 所有其他用户设置都保存到XAW（Xilinx Architecture Wizard）文件中。

接下来描述一下向导使用步骤。1. 从ISE或者Arch wizard中启动界面；2. 第一个页面做基本配置：路径、XAW文件名、VHDL / Verilog选择、综合工具、FPGA型号；3. 进行General setup，一看就明白，不细说，注意一下几点：    - CLKIN source 如果选 external 则 DCM 的 CLKIN 会自动连接到 IBUFG。    - Feedback如果选 internal 则反馈来自 BUFG。4. 高级设置    - 选择FPGA的配置过程是否包含DCM的锁定，如果是，则配置完成信号DONE将在LOCKED信号有效后方能有效。    - 选择CLKIN是否要除2。由于DCM的输入频率有限，对于过高的输入时钟通过除2使之可用。    - Deskew调整，这个选项建议在咨询xilinx工程师后再使用。5. 时钟输出口 Buffer 设置    - 默认情况下所有输出口都链接 BUFG 全局时钟网络入口    - 由于全局时钟网络的入口有限，用户可以定制时钟输出口连接到其他类型的Buffer       - Global Buffer：进入全局时钟网络的入口Buffer，共有4个，简称BUFG       - Enabled Buffer：还是上面的4个全局时钟Buffer，但是配置为有使能信号控制，简称BUFGCE       - Clock MUX：还是上面的4个全局时钟Buffer，但是配置为 2-to-1 MUX类型，由S信号控制选出，简称BUFGMUX       - Low skew line：没有buffer了，只能使用 skew 比较小的连线       - Local Routing：连到本地，skew的要求不是很严格       - None：禁止输出    - 对于Enabled Buffer类型和Clock Mux类型，需要指定En口的名字    - 需要为输出时钟信号指定名字或者使用默认6. 设置DFS    - 设置目标输出频率，然后按calculate，自动生成 M/D 值和 Jitter 值    - 或者手动设置 M/D 值，然后按calculate，自动生成频率和 Jitter 值7. 最后输出所需的3种文件。