DCM的工作原理及其应用场景和优势

‌DCM时钟管理(Digital Clock Manager)‌是一种在较高级的FPGA(Field-Programmable Gate Array)产品中集成的时钟管理资源，主要用于时钟综合、消除时钟偏斜和进行时钟相位调整。DCM通过时钟倍频、分频和相移等功能，为FPGA的系统时钟设计提供了极大的便利‌12。

DCM的工作原理

DCM内部采用Delay Lock Loop(DLL)结构，通过长的延时线来调节时钟偏移量。DCM会将输入时钟(clkin)和反馈时钟(CLKFB)进行比较，如果它们的延时差不等于设定的相移(PHASESHIFT)，DCM会调整clkin和clk_1x之间的延时线数目，直到输出和输入形成闭环，动态调整到设定值后锁定‌3。

DCM的应用场景和优势

DCM可以与BUFG(Buffer Generator)配合使用，增强时钟的驱动能力。DCM的输出clk_1x连接到BUFG的输入引脚，BUFG的输出引脚再反馈到DCM的反馈时钟脚CLKFB。这种设计可以消除时钟偏斜(skew)，确保时钟信号在FPGA内部的稳定传输‌3。

DCM与其他技术的比较

虽然DCM提供了方便的时钟管理功能，但也带来了可靠性问题。为了确保系统时钟的可靠性，可以对DCM的工作原理进行分析，采用常有时钟监测工作状态标识，失锁时自动复位使其重新锁定‌1。

有些FPGA学习者，看Xilinx的Datasheet会注意到Xilinx的FPGA没有PLL，其实DCM就是时钟管理单元。

1、DCM概述

DCM内部是DLL(Delay Lock Loop结构，对时钟偏移量的调节是通过长的延时线形成的。DCM的参数里有一个PHASESHIFT(相移)，可以从0变到255。所以我们可以假设内部结构里从输入引脚clkin到输出引脚clk_1x之间应该有256根延时线(实际上，由于对不同频率的时钟都可以从0变到255，延时线的真正数目应该比这个大得多)。DCM总会把输入时钟clkin和反馈时钟CLKFB相比较，如果它们的延时差不等于所设置的PHASESHIFT，DCM就会改变在clkin和clk_1x之间的延时线数目，直到相等为止，输出和输入形成闭环，动态调整到设定值再退出。这个从不等到相等所花的时间，就是输出时钟锁定的时间，相等以后，lock_flag标识才会升高。

当DCM发现clkin和clkfb位相差不等于PHASESHIFT的时候，就去调节clk_1x和clkin之间延时，所以如果clk_1x和clkfb不相关的话，那就永远也不能锁定了。

2、如何使用DCM

DCM一般和BUFG配合使用，要加上BUFG，应该是为了增强时钟的驱动能力。DCM的一般使用方法是，将其输出clk_1x接在BUFG的输入引脚上，BUFG的输出引脚反馈回来接在DCM的反馈时钟脚CLKFB上。另外，在FPGA里，只有BUFG的输出引脚接在时钟网络上，所以一般来说你可以不使用DCM，但你一定会使用BUFG。有些兄弟总喜欢直接将外部输入的时钟驱动内部的寄存器，其实这个时候虽然你没有明显地例化BUFG，但工具会自动给你加上的。

3、使用DCM可以消除时钟skew

使用DCM可以消除时钟skew。这个东西一直是我以前所没有想清楚的，时钟从DCM输出开始走线到寄存器，这段skew的时间总是存在的，为什么用DCM就可以消除呢?直到有一天忽然豁然开朗，才明白其原委。对高手来说，也许是极为easy的事情，但也许有些朋友并不一定了解，所以写出来和大家共享。

为说明方便起见，我们将BUFG的输出引脚叫做clk_o，从clk_o走全局时钟布线到寄存器时叫做clk_o_reg，从clk_o走线到DCM的反馈引脚CLKFB上时叫clkfb，如图所示。实际上clk_o， clk_o_reg， clkfb全部是用导线连在一起的。

所谓时钟skew，指的就是clk_o到clk_o_reg之间的延时。如果打开FPGA_Editor看底层的结构，就可以发现虽然DCM和BUFG离得很近，但是从clk_o到clkfb却绕了很长一段才走回来，从而导致从clk_o到clk_o_reg和clkfb的延时大致相等。

总之就是clk_o_reg和clkfb的相位应该相等。所以当DCM调节clkin和clkfb的相位相等时，实际上就调节了clkin和clk_o_reg相等。而至于clk_1x和clk_o的相位必然是超前于clkin， clkfb， clk_o_reg的，而clk_1x和clk_o之间的延时就很明显，就是经过那个BUFG的延迟时间。

4、对时钟skew的进一步讨论

最后，说一说时钟skew的概念。时钟skew实际上指的是时钟驱动不同的寄存器时，由于寄存器之间可能会隔得比较远，所以时钟到达不同的寄存器的时间可能会不一样，这个时间差称为时钟skew。这种时钟skew可以通过时钟树来解决，也就是使时钟布线形成一种树状结构，使得时钟到每一个寄存器的距离是一样的。很多FPGA芯片里就布了这样的时钟树结构。也就是说，在这种芯片里，时钟skew基本上是不存在的。

说到这里，似乎有了一个矛盾，既然时钟skew的问题用时钟树就解决了，那么为什么还需要DCM+BUFG来解决这个问题?另外，既然时钟skew指的是时钟驱动不同寄存器之间的延时，那么上面所说的clk_o到clk_o_reg岂非不能称为时钟skew?

先说后一个问题。在一块FPGA内部，时钟skew问题确实已经被FPGA的时钟方案树解决，在这个前提下clk_o到clk_o_reg充其量只能叫做时钟延时，而不能称之为时钟skew。可惜的是FPGA的设计不可能永远只在内部做事情，它必然和外部交换数据。例如从外部传过来一个32位的数据以及随路时钟，数据和随路时钟之间满足建立保持时间关系(Setup Hold TIme)，你如何将这32位的数据接收进来?如果你不使用DCM，直接将clkin接在BUFG的输入引脚上，那么从你的clk_o_reg就必然和clkin之间有个延时，那么你的clk_o_reg还能保持和进来的数据之间的建立保持关系吗?显然不能。相反，如果你采用了DCM，接上反馈时钟，那么clk_o_reg和clkin同相，就可以利用它去锁存进来的数据。可见，DCM+BUFG的方案就是为了解决这个问题。而这个时候clk_o到clk_o_reg的延时，我们可以看到做内部寄存器和其他芯片传过来的数据之间的时钟skew。

由此，我们可以得出一个推论，从晶振出来的时钟作为FPGA的系统时钟时，我们可以不经过DCM，而直接接到BUFG上就可以，因为我们并不在意从clkin到clk_o_reg的这段延时。