微電子技術(shù)的持續(xù)發(fā)展使得FPGA具有更高的系統(tǒng)集成度和工作頻率,。系統(tǒng)性能較大程度上決定于系統(tǒng)的時鐘延遲和偏斜,。由于FPGA具有豐富的可編程邏輯資源及時鐘網(wǎng)絡(luò)，隨之而來的時鐘延遲問題使得用戶設(shè)計的性能大打折扣,。FPGA中的DLL模塊可提供零傳播延時,，消除時鐘偏斜，從而進一步提高了FPGA的性能和設(shè)計的靈活性,。

　　PLL是常用的時鐘管理電路,，主要是基于模擬電路設(shè)計實現(xiàn)的，而DLL主要是基于數(shù)字電路設(shè)計實現(xiàn)的,。雖然在時鐘綜合能力上比PLL差,，但由于具有設(shè)計仿真周期短，抗干擾性強,，以及工藝可移植等特點,，DLL非常適合在數(shù)字系統(tǒng)架構(gòu)中使用，這也是FPGA采用DLL作為時鐘管理的原因,。文中將介紹傳統(tǒng)FPGA片內(nèi)延時鎖相環(huán)設(shè)計,，并在此基礎(chǔ)上提出具有更快鎖定速度的新延時鎖相環(huán)架構(gòu)OSDLL。

　　1 FPGA片內(nèi)DLL結(jié)構(gòu)及工作原理

　　1．1 DLL架構(gòu)設(shè)計

　　圖1為FPGA片內(nèi)DLL結(jié)構(gòu)框圖,。圖1中FPGA片內(nèi)用戶設(shè)計的時序邏輯部分在布局布線后,，位于芯片中部，相應(yīng)的時鐘走線較長,。為緩解時鐘緩沖,、重負載時鐘線的大電容、線路的傳播延時等因素造成的時鐘偏斜,，可以選擇使用DLL模塊進行時鐘優(yōu)化管理,。

　　圖1中，DLL主要由鑒相器(PD),、可調(diào)延時鏈,、數(shù)字控制邏輯以及時鐘生成模塊組成。CLKOUT為DLL輸出時鐘,，即時鐘生成模塊的輸出時鐘；CLKS為經(jīng)過時鐘線后到達時序電路的偏斜時鐘,；CLKFB即為CIKS,，反饋時鐘CLKFB反饋回DLL,。DLL的功能為通過在時域中調(diào)節(jié)CLKOUT的相位使得CLKFB與CLKIN同步，即消除時鐘偏斜,。

　　1．2 DLL工作原理

　　DLL的工作過程依賴于控制邏輯的設(shè)計,。DLL的控制邏輯主要包括SHIFT控制邏輯和SYN控制邏輯兩部分，如圖2所示,。DLL的工作過程首先進行SHIFT階段,，之后進行SYN階段。

　　從圖2可見,，可調(diào)延時鏈共5條,，即一條主可調(diào)延時鏈(延時鏈0，256個延時單元),，4條子可調(diào)延時鏈(延時鏈1～4,，各128個延時單元)。如圖2所示,，4條子延時鏈,，SHIFT邏輯和一個鑒相器(PD2)構(gòu)成相移器。SHIFT階段,，相移器工作,。相移器采集第一級子延時鏈的輸入時鐘clk_ph_0和最后一級延時鏈的輸出時鐘clk_ph_360，根據(jù)鑒相結(jié)果同步調(diào)整4條子可調(diào)延時鏈的延時,，直至clk_ph_O和clk_ph_360同步,。經(jīng)過相移器的時鐘延時是一個周期，從而使得時鐘經(jīng)過相移器中的每個子延時鏈的輸出時鐘相移90°,，對應(yīng)圖2中分別為clk_ph_O,，clk_ph_90，clk_ph_180,，clk_ph_270,，clk_ph_360。這些相移的時鐘可以根據(jù)實際的需要由時鐘生成模塊產(chǎn)生所需要分頻(CLKDV),，倍頻(CIK2X)或移相時鐘作為輸出時鐘,，關(guān)于分頻和倍頻電路，如文獻,。SYN邏輯用于控制將反饋時鐘和輸入時鐘調(diào)整至同步,。

　　整個SHIFT階段和SYN階段都是在各自的控制邏輯模塊控制下工作的，以一定的工作節(jié)拍實施調(diào)整,，如圖3所示,。

　　圖2中工作節(jié)拍模塊生成工作節(jié)拍信號(SHIFT_C，SYN_C)。在工作節(jié)拍下,，狀態(tài)機處于某一狀態(tài),，則根據(jù)狀態(tài)的調(diào)整要求依次進行如下操作：鑒相，判斷出輸入時鐘和反饋時鐘的相位關(guān)系為超前或滯后(SHT_U_D)或SYN_U_D),，同時還可以指示兩時鐘是否進入鎖定窗(SHT_WIN,，SYN_WIN)，如圖l所示,。鑒相器將這些信息送入控制邏輯模塊,，在SHIFT階段，4條延時鏈對應(yīng)各自的可逆計數(shù)器,，負責(zé)控制延時鏈加減延時單元,，各計數(shù)器工作在自己的時鐘域中，如圖2所示,。根據(jù)鑒相的結(jié)果和所處的狀態(tài)機狀態(tài),，計數(shù)器進行計數(shù)，計數(shù)結(jié)果作為延時鏈的譯碼地址,，最后延時鏈經(jīng)過地址譯碼增加／減少一個延時單元,，完成一次工作節(jié)拍調(diào)節(jié)，繼而繼續(xù)進行下一次調(diào)整,，直到狀態(tài)機進入鎖定狀態(tài)為止,。SYN階段工作方式類似，但只對主延時鏈進行調(diào)整,。實現(xiàn)DLL鎖定,，同步建立需滿足公式，如式(1)所示,。

DSYN+SKEW=mult(P) (1)

　　式中,，DSYN為主延時鏈可以提供的延時；SKEW為時鐘偏斜,；muh(P)為整數(shù)個輸入時鐘周期,。

　　1．3 抗抖動設(shè)計

　　如圖2所示，控制邏輯中JF counter1和JF counter2功能模塊,。用戶可以設(shè)置抗抖動數(shù)值d1,，d2，如圖1所示,，從而對這兩個模塊中的計數(shù)器設(shè)定一個計數(shù)周期,。在DLL鎖定之后這兩個模塊開始工作，按照計數(shù)設(shè)定值的周期性對鎖定后的時鐘進行檢測,。即在計數(shù)器達到設(shè)定值時,，對鎖定后的反饋時鐘和輸入時鐘進行鑒相,，判斷相位關(guān)系，控制可逆計數(shù)器對鎖定后的時鐘進行周期性微調(diào)干預(yù),。如圖4所示,，在系統(tǒng)內(nèi)存在干擾時，會產(chǎn)生時鐘抖動,，若抗抖動模塊工作檢測到反饋時鐘超前于輸入時鐘，則進行一次微調(diào),，消除抖動的影響,。抗抖動設(shè)計有助于減少抖動的影響,。同時由于計數(shù)周期可設(shè),，使得用戶可以在不同系統(tǒng)工作環(huán)境下，采用不同的抗抖動設(shè)定值,，以達到最優(yōu)的防抖效果,。