時(shí)鐘樹不僅可以做到高扇出，還可以做到讓時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)各個(gè)觸發(fā)器的時(shí)刻盡可能一致，也即保證時(shí)鐘信號(hào)到達(dá)時(shí)鐘域內(nèi)不同觸發(fā)器的時(shí)間差最小。

這篇博文進(jìn)一步說時(shí)鐘樹的問題，我們知道了時(shí)鐘樹的這么強(qiáng)大的功能，好處這么多，那么怎么使用時(shí)鐘樹，我什么時(shí)候使用到了時(shí)鐘樹呢？

一、什么情況下，時(shí)鐘應(yīng)該“上樹”？

如果一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)是為FPGA內(nèi)部的一些邏輯資源提供“脈搏”的，那么強(qiáng)烈建議該時(shí)鐘“上樹”；

如果時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘域?qū)嵲谔?，例如僅控制若干個(gè)觸發(fā)器，那么也許不利用時(shí)鐘樹，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)也可能通過時(shí)序分析，但是仍然建議使用時(shí)鐘樹；

如果時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘域只包括一個(gè)觸發(fā)器，那么也就不存在所謂的時(shí)間差了，此時(shí)就完全不需要時(shí)鐘樹；

如果一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)僅僅是為FPGA外部的硬件電路提供時(shí)鐘激勵(lì)的，那么外部無論有多少個(gè)存儲(chǔ)單元需要使用該時(shí)鐘，都沒必要使用時(shí)鐘樹，因?yàn)镕PGA內(nèi)部的時(shí)鐘樹無法延伸到FPGA芯片外部。

二、如何選擇時(shí)鐘樹？

上篇博文提到了時(shí)鐘樹的類型，分為全局時(shí)鐘樹、局部時(shí)鐘樹和IO時(shí)鐘樹。那么具體來說，如果需要使用時(shí)鐘樹，該為時(shí)鐘選擇哪一類時(shí)鐘樹呢？

也許自覺會(huì)這么告訴自己，時(shí)鐘域大的，選擇全局時(shí)鐘樹；時(shí)鐘域小的，選擇區(qū)域時(shí)鐘樹；時(shí)鐘域特別小，選擇IO時(shí)鐘樹。

事實(shí)告訴你，自覺是完全錯(cuò)誤的。

IO時(shí)鐘樹分布在FPGA的接口資源中，由于它們離IO管腳最近，所以可以協(xié)助FPGA完成一些較高速率的串行數(shù)據(jù)接收，再經(jīng)過簡單地串并轉(zhuǎn)換之后，以比較低的速率將并行數(shù)據(jù)丟進(jìn)FPGA芯片的內(nèi)部，供其他資源使用。一般來說，每個(gè)IO BANK內(nèi)部會(huì)有若干個(gè)IO時(shí)鐘樹的資源，因此IO時(shí)鐘樹雖然覆蓋范圍小，但并不是為小規(guī)模的時(shí)鐘域量身定做的，因此FPGA內(nèi)部的資源也無法使用該時(shí)鐘樹。

再看全局時(shí)鐘樹，由于全局時(shí)鐘樹可以覆蓋到整個(gè)FPGA芯片，因此全局時(shí)鐘樹的個(gè)數(shù)也十分有限，因此使用一定要謹(jǐn)慎，不可濫用。但是如果你硬著頭皮省下來一堆全局時(shí)鐘樹，結(jié)果卻閑置在一邊，不派上用場，那簡直就是浪費(fèi)時(shí)間，白花心思。因此，全局時(shí)鐘樹這樣的資源，不可濫用，也不可不用，要充分利用。

因此，在全局時(shí)鐘樹不緊缺的情況下，無論時(shí)鐘域的大小，統(tǒng)一建議使用全局時(shí)鐘樹，因此這樣也能給編譯器提供最大的布局布線自由度，從而讓時(shí)序約束更容易實(shí)現(xiàn)。

最后來看區(qū)域時(shí)鐘樹。老實(shí)說，區(qū)域時(shí)鐘樹覆蓋范圍也是相當(dāng)?shù)拇?，最大可能能到FPGA芯片的幾分之一，因此如果時(shí)鐘域不是特別大，到底使用全局時(shí)鐘樹還是區(qū)域時(shí)鐘樹，其實(shí)沒有一個(gè)確定的結(jié)論。不過如果不是全局時(shí)鐘樹資源不夠用，一般不建議使用區(qū)域時(shí)鐘樹。當(dāng)然了，使用區(qū)域時(shí)鐘樹可以讓時(shí)鐘域中資源的分布在物理上更緊湊一些，并且有些功能是必須使用區(qū)域時(shí)鐘樹和IO時(shí)鐘樹配合來完成的，因此請(qǐng)注意相關(guān)功能的說明。

最后總結(jié)下，IO時(shí)鐘樹用于IO接口的串并轉(zhuǎn)換，不可用于FPGA內(nèi)部時(shí)鐘域。

全局時(shí)鐘樹，可以覆蓋到整個(gè)FPGA芯片，在全局時(shí)鐘樹不緊缺的情況下，盡量使用全局時(shí)鐘樹，可以給編譯器提供最大的布局布線自由度，讓時(shí)序約束更容易實(shí)現(xiàn)。

局部時(shí)鐘樹，特定情況下可能又用途，但全局時(shí)鐘樹不緊缺的情況下，建議使用全局時(shí)鐘樹。

三、時(shí)鐘信號(hào)如何“上樹”？

1）使用全局時(shí)鐘樹資源

方法一，通過正確的物理連接。

如果時(shí)鐘信號(hào)是由FPGA芯片外部產(chǎn)生的，那么我們可以不通過編程就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘樹資源的分配。

因?yàn)樵贔PGA芯片的外圍管腳中，有一些專門為全局時(shí)鐘設(shè)計(jì)的管腳，這點(diǎn)我們可以通過相應(yīng)的FPGA芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)來確認(rèn)，如果在制作電路板時(shí)，直接將外部時(shí)鐘信號(hào)通過這些管腳接入FPGA內(nèi)部，那么它將自動(dòng)占據(jù)全局時(shí)鐘樹資源。當(dāng)然了，這些管腳也可以接入普通的數(shù)據(jù)信號(hào)，編譯器會(huì)對(duì)該管腳引入的信號(hào)在FPGA設(shè)計(jì)內(nèi)部扮演的角色進(jìn)行分析，如果發(fā)現(xiàn)其并沒有作為時(shí)鐘信號(hào)來使用，那么將不會(huì)為其分配時(shí)鐘樹資源。

方法二，通過恰當(dāng)?shù)拇a描述。

如果很不巧，外部的時(shí)鐘信號(hào)（外部時(shí)鐘）沒有通過專用的全局時(shí)鐘管腳連接到FPGA內(nèi)部，又或者某一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)是FPGA內(nèi)部產(chǎn)生（再生時(shí)鐘）的，例如FPGA內(nèi)部PLL的輸出，那么此時(shí)就需要通過編寫程序來完成時(shí)鐘的“上樹”工作了。有些時(shí)候，即使不使用代碼顯示指定，編譯器也會(huì)根據(jù)代碼的分析結(jié)果，來為時(shí)鐘信號(hào)分配全局時(shí)鐘資源。不過這種靠“天”吃飯的思想不可取，F(xiàn)PGA工程師一定要讓FPGA芯片盡可能的處于自己，而不是編譯器的掌控之下，因此強(qiáng)烈建議通過自己的代碼來指明時(shí)鐘樹的使用。

那么具體要怎么通過HDL代碼來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘樹資源的分配呢？答案就是使用原語。

由于原語是跟FPGA芯片的生產(chǎn)廠商息息相關(guān)的，因此同一個(gè)功能的原語在不同的編譯器中的名稱很可能大相徑庭，例如用于全局時(shí)鐘樹分配的最主要的原語，Xilinx公司叫它BUFG，而Altera公司卻稱其為global。

這里，以Xilinx公司的FPGA產(chǎn)品為例，來介紹代碼的描述方法，其他公司的FPGA產(chǎn)品方法類似，只不過需要替換原語的名稱罷了。

如果FPGA內(nèi)部有一個(gè)名為innerClk的時(shí)鐘信號(hào)，我們想為它分配一個(gè)全局時(shí)鐘樹，Verilog HDL描述為：

wire globalClk;

BUFG onTree(.O(globalClk), .I(innerClk));

按照上述HDL代碼描述以后，我們就可以在后續(xù)的邏輯功能中放心使用上樹后的innerClk——globalClk了。

實(shí)際上，直接從外部全局時(shí)鐘管腳引入的時(shí)鐘信號(hào)，相當(dāng)于在HDL代碼中使用了IBUFG + BUFG原語。

除此之外，如果希望多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)分享一個(gè)時(shí)鐘樹，也可以使用BUGMUX這個(gè)原語，相當(dāng)于MUX +BUFG，例如，希望當(dāng)前FPGA設(shè)計(jì)中的某一部分邏輯其時(shí)鐘是可以在40Hz和60Hz之間切換的。

2）使用區(qū)域時(shí)鐘樹、IO時(shí)鐘樹資源

與全局時(shí)鐘管腳類似，F(xiàn)GPA芯片的外圍管腳中也有專門為區(qū)域時(shí)鐘和IO時(shí)鐘設(shè)計(jì)的專有管腳，但是，光將時(shí)鐘信號(hào)連接到這些管腳上，還并不一定能完成相應(yīng)時(shí)鐘樹的使用，還必須要在代碼中顯式地進(jìn)行描述才行。

以Xilinx公司為例，使用原語BUFIO，將會(huì)為這些專用管腳上的信號(hào)分配IO時(shí)鐘樹資源，使用BUFR，將會(huì)為這些專用管腳上的信號(hào)分配區(qū)域時(shí)鐘樹資源。由于區(qū)域時(shí)鐘常配合IO時(shí)鐘完成串并轉(zhuǎn)換，因此，BUFR還具有神奇的分頻功能。最后，由于這兩個(gè)時(shí)鐘樹的覆蓋范圍并不是整個(gè)FPGA芯片，所以在進(jìn)行HDL代碼編寫時(shí)，也請(qǐng)注意資源的使用。

四、被“拉下樹”的時(shí)鐘信號(hào)

已經(jīng)上樹的時(shí)鐘信號(hào)，若不小心，也可能被拉下樹，因此，在HDL代碼編寫的時(shí)候，一定要避免這種情況。

是什么導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)脫離了時(shí)鐘樹了呢？

通過前面的介紹，我們知道時(shí)鐘樹是由若干級(jí)緩沖器再加上一些近似等長的連線組成的，這也就是說，時(shí)鐘樹僅能對(duì)時(shí)鐘信號(hào)起到一個(gè)基本的傳遞作用，除此以外，別無它用。

因此，凡是相對(duì)時(shí)鐘樹上的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行任何邏輯操作，來生成一個(gè)新的信號(hào)，那么新的信號(hào)已經(jīng)不再位于時(shí)鐘樹上了（注意，原來的時(shí)鐘信號(hào)仍在時(shí)鐘樹上）。如果希望新的信號(hào)仍然作為時(shí)鐘來驅(qū)動(dòng)一些邏輯，那么必須重新調(diào)用相應(yīng)原語來讓新的時(shí)鐘信號(hào)獲得空閑的時(shí)鐘樹資源，所以，之前介紹的FPGA內(nèi)部生成的再生時(shí)鐘，門控時(shí)鐘，行波時(shí)鐘，如果需要使用，一定要先使用原語為它們分配好時(shí)鐘樹資源。

下面舉例說明，原始時(shí)鐘信號(hào)被拉下樹以及在此上樹的過程：

// gClkOnTreeA is on the clock tree assign midClk0 = ~gClkOnTreeA; // midClk0 is not on the clock tree assign midClk1 = en & gClkOnTreeA; // midClk1 is not on the clock tree BUFG reOnTree0(.O(gClkOnTreeB),.I(midClk0)); //gClkOnTreeB is on the clock tree BUFG reOnTree1(.O(gClkOnTreeC),.I(midClk1)); //gClkOnTreeC is on the clock tree