作者：swang_shan

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簡介

原語（Primitive），是Xilinx針對其器件特征開發的一系列常用模塊的名字，用戶可以將其看成Xilinx公司為用戶提供的庫函數，是芯片中的基本元件，代表FPGA中實際擁有的硬件邏輯單元，如LUT，D觸發器，RAM等，相當于軟件中的機器語言。在實現過程中的翻譯步驟時，要將所有的設計單元都轉譯為目標器件中的基本元件，否則就是不可實現的。原語在設計中可以直接例化使用，是最直接的代碼輸入方式，其和HDL語言的關系，類似于匯編語言和C語言的關系。

Xilinx公司提供的原語，涵蓋了FPGA開發的常用領域，但只有相應配置的硬件才能執行相應的原語，并不是所有的原語都可以在任何一款芯片上運行。在Verilog中使用原語非常簡單，將其作為模塊名直接例化即可。

Xilinx公司的原語按照功能分為10類，包括：計算組件、I/O端口組件、寄存器和鎖存器、時鐘組件、處理器組件、移位寄存器、配置和檢測組件、RAM/ROM組件、Slice/CLB組件以及G比特收發器組件。下面分別對其進行詳細介紹。

1、 時鐘組件

目前，大型設計一般推薦使用同步時序電路。同步時序電路基于時鐘觸發沿設計，對時鐘的周期、占空比、延時和抖動提出了更高的要求。為了滿足同步時序設計的要求，一般在FPGA設計中采用全局時鐘資源驅動設計的主時鐘，以達到最低的時鐘抖動和延遲。 FPGA 全局時鐘資源一般使用全銅層工藝實現，并設計了專用時鐘緩沖與驅動結構，從而使全局時鐘到達芯片內部的所有可配置單元（CLB）、I/O單元（IOB）和選擇性塊RAM（Block Select RAM）的時延和抖動都為最小。為了適應復雜設計的需要，Xilinx的FPGA中集成的專用時鐘資源與數字延遲鎖相環（DLL）的數目不斷增加，最新的 Virtex II器件最多可以提供16個全局時鐘輸入端口和8個數字時鐘管理模塊（DCM）。

與全局時鐘資源相關的原語常用的與全局時鐘資源相關的Xilinx器件原語包括：IBUFG、IBUFGDS、BUFG、BUFGP、BUFGCE、BUFGMUX、BUFGDLL和DCM等。

IBUFG

即輸入全局緩沖，是與專用全局時鐘輸入管腳相連接的首級全局緩沖。所有從全局時鐘管腳輸入的信號必須經過IBUFG 單元，否則在布局布線時會報錯。 IBUFG支持AGP、CTT、GTL、GTLP、HSTL、LVCMOS、LVDCI、LVDS、LVPECL、LVTTL、PCI、PCIX和 SSTL等多種格式的IO標準。

IBUFGDS

IBUFG的差分形式，當信號從一對差分全局時鐘管腳輸入時，必須使用IBUFGDS作為全局時鐘輸入緩沖。IBUFG支持BLVDS、LDT、LVDSEXT、LVDS、LVPECL和ULVDS等多種格式的IO標準。

BUFG

全局緩沖，它的輸入是IBUFG的輸出，BUFG的輸出到達FPGA內部的IOB、CLB、選擇性塊RAM的時鐘延遲和抖動最小。

BUFG是具有高扇出的全局時鐘緩沖器，一般由綜合器自動推斷并使用，其和同類原語的RTL結構如圖所示。全局時鐘是具有高扇出驅動能力的緩沖器，可以將信號連到時鐘抖動可以忽略不計的全局時鐘網絡，BUFG組件還可應用于典型的高扇出信號和網絡，如復位信號和時鐘使能信號。如果要對全局時鐘實現PLL或DCM等時鐘管理，則需要手動例化該緩沖器。其例化的代碼模板如下所示：

// BUFG： 全局時鐘緩存（Global Clock Buffer），只能以內部信號驅動

// Xilinx HDL庫向導版本，ISE 9.1

BUFG BUFG_inst （

.O（O）， //時鐘緩存輸出信號

.I（I） // /時鐘緩存輸入信號

）;

// 結束BUFG_ins模塊的例化過程

BUFG—RTL

BUFG—RTL

4. BUFGCE是帶有時鐘使能端的全局緩沖。它有一個輸入I、一個使能端CE和一個輸出端O。只有當BUFGCE的使能端CE有效（高電平）時，BUFGCE才有輸出。

5. BUFGMUX是全局時鐘選擇緩沖，它有I0和I1兩個輸入，一個控制端S，一個輸出端O。當S為低電平時輸出時鐘為I0，反之為I1。需要指出的是BUFGMUX的應用十分靈活，I0和I1兩個輸入時鐘甚至可以為異步關系。

6. BUFGP相當于IBUG加上BUFG。

7. BUFGDLL是全局緩沖延遲鎖相環，相當于BUFG與DLL的結合。BUFGDLL在早期設計中經常使用，用以完成全局時鐘的同步和驅動等功能。隨著數字時鐘管理單元（DCM）的日益完善，目前BUFGDLL的應用已經逐漸被DCM所取代。

8. DCM即數字時鐘管理單元，主要完成時鐘的同步、移相、分頻、倍頻和去抖動等。DCM與全局時鐘有著密不可分的聯系，為了達到最小的延遲和抖動，幾乎所有的DCM應用都要使用全局緩沖資源。DCM可以用Xilinx ISE軟件中的Architecture Wizard直接生成。

全局時鐘資源的使用方法 全局時鐘資源的使用方法（五種）

1：IBUFG + BUFG的使用方法：

IBUFG后面連接BUFG的方法是最基本的全局時鐘資源使用方法，由于IBUFG組合BUFG相當于BUFGP，所以在這種使用方法也稱為BUFGP方法。

2. IBUFGDS + BUFG的使用方法：

當輸入時鐘信號為差分信號時，需要使用IBUFGDS代替IBUFG。

3. IBUFG + DCM + BUFG的使用方法：

這種使用方法最靈活，對全局時鐘的控制更加有效。通過DCM模塊不僅僅能對時鐘進行同步、移相、分頻和倍頻等變換，而且可以使全局時鐘的輸出達到無抖動延遲。

4. Logic ＋ BUFG的使用方法：

BUFG不但可以驅動IBUFG的輸出，還可以驅動其它普通信號的輸出。當某個信號（時鐘、使能、快速路徑）的扇出非常大，并且要求抖動延遲最小時，可以使用BUFG驅動該信號，使該信號利用全局時鐘資源。但需要注意的是，普通IO的輸入或普通片內信號進入全局時鐘布線層需要一個固有的延時，一般在 10ns左右，即普通IO和普通片內信號從輸入到BUFG輸出有一個約10ns左右的固有延時，但是BUFG的輸出到片內所有單元（IOB、CLB、選擇性塊RAM）的延時可以忽略不計為“0”ns。

5． Logic + DCM + BUFG的使用方法：

DCM同樣也可以控制并變換普通時鐘信號，即DCM的輸入也可以是普通片內信號。使用全局時鐘資源的注意事項全局時鐘資源必須滿足的重要原則是：使用 IBUFG或IBUFGDS的充分必要條件是信號從專用全局時鐘管腳輸入。換言之，當某個信號從全局時鐘管腳輸入，不論它是否為時鐘信號，都必須使用 IBUFG或IBUFGDS；如果對某個信號使用了IBUFG或IBUFGDS硬件原語，則這個信號必定是從全局時鐘管腳輸入的。如果違反了這條原則，那么在布局布線時會報錯。這條規則的使用是由FPGA的內部結構決定的：IBUFG和IBUFGDS的輸入端僅僅與芯片的專用全局時鐘輸入管腳有物理連接，與普通IO和其它內部CLB等沒有物理連接。另外，由于BUFGP相當于IBUFG和BUFG的組合，所以BUFGP的使用也必須遵循上述的原則。

審核編輯：何安