（电路与系统专业论文）基于fpga的时钟频率动态重置算法研究与应用.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 摘要 时钟频率动态重置技术，是指通过软件动态地改变电路模块的工作时钟频 率，以达到降低功耗、减少散热，延长电路模块使用寿命等作用。此项技术被广 泛地应用到处理器之中，使处理器在性能和功耗上达到比较理想的平衡。国际上 比较有代表性的主要有i n t e l 公司的s p e e d s t e p 技术以及a m d 公司的c o o l n q u i e t 和p o w e r n o w ! 技术。而国内对此项技术的研究却少之又少，远远落后于国外。 本文中，首先针对现有混合模式时钟管理器( m m c m ) 动态重置算法占用 大量r o m 空间、与用户交互性不强的问题，提出一种基于f p g a 的频率动态重 置改进型算法。动态重置端口( d r p ) 与加强型m m c m 原型连接，采用状态机 来驱动d r p ，顺序实现读取输出端口寄存器地址、读取分频值、使能端口寄存 器读写等功能，以达到软件动态改变电路模块工作频率的功能。 然后，我们设计了一个用户可控的频率动态重置系统，用户在电脑终端直接 输入电路模块序号和频率值即可改变相应模块的工作频率。该系统主要由处理器 软核m i c r o b l a z e 连接电脑和动态重置模块b e a t m a s t e r 而成，b e a t m a s t e r 的可重 置输出时钟信号作为m i c r o b l a z e 和p c i e 的测速模块s p e e dt e s t 的工作时钟。此 系统可作为时钟发生模块应用到其它系统中，即可使用户任意改变其余模块的工 作频率。 时钟频率动态重置的最终目的是减少电路的功耗，因此，监测不同工作频率 下电路模块的功耗情况成为此研究的必需项目。基于s y s t e mm o n i t o r 模块，我 们设计了一个功耗监测系统，其主要组成模块为电脑终端、m i c r o b l a z e 、 s y s t e mm o n i t o r 模块和b e a t m a s t e r 模块。用户可在电脑终端的界面中发布指令改 变m i c r o b l a z e 和u a r t 的工作频率，并实时地监测芯片的功率值。通过对测量 功率值的记录、统计分析，证明随着工作频率的增大，功率呈非线性增长。 关键字：时钟频率动态重置；f p g a ；m m c m ；功率 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d y n a m i cf r e q u e n c yr e c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c ha l l o w st h ec l o c ks p e e do f c i r c u i tm o d u l et ob ed y n a m i c a l l yc h a n g e db ys o f t w a r e ，s u p p o r t ss o m ea d v a n t a g e s ， s u c ha sm i n i m i z i n gp o w e rd r a wa n dh e a td i s s i p a t i o n ，e x t e n d i n gm o d u l el i f e ，a n ds oo n i t i sb u i l ti n t op r o c e s ss ot h a ta c h i e v et h eb a l a n c eo fp o w e rc o n s u m p t i o na n d p e r f o r m a n c e n o w , i n t e l ss p e e d s t e pt e c h n o l o g y , a m d sc o o l n q u i e t a n d p o w e r n o w ! a r et h r e et y p i c a ld y n a m i cf r e q u e n c yr e c o n f i g u r a t i o nt e c h n o l o g i e s h o w e v e r , d o m e s t i cr e s e a r c hl a g sf a rb e h i n df o r e i g n i nt h ed i s s e r t a t i o n ，a l li m p r o v e dm m c md y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o na l g o r i t h mi s p r o p o s e dt os o l v ep r o b l e m so ft a k i n gu pal o to fr o m a n dw e a ki n t e r a c t i o nw i t h u s a so ft h ee x i s t i n ga l g o r i t h m d r pc o n n e c t i n gt oa l la d v a n c e dm m c m p r i m i t i v ei s d r i v e nb yas t a t em a c h i n e i tr e a d sa d d r e s s e so fo u t p u tr e g i s t e r s ，r e a d sd i v i s o ra n d e n a b l e sr e a d i n ga n dw r i t i n gf u n c t i o n so f r e g i s t e r s t h e n ，w ed e s i g nad y n a m i cf r e q u e n c yr e c o n f i g u r a t i o ns y s t e m u s e r se n t e rt h e n u m b e ro fm o d u l ea n di t sr e q u i r e dc l o c kr a t ea n dt h e n , t h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i tc a l l n l na tt h a ts p e e d i tc o m p r i s e ss o f tc o r em i e r o b l a z e ，p ca n dd y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o n b l o c kb e a t m a s t e r f u r t h e r m o r e ，t h er e c o n f i g u r a b l ec l o c ko u t p u to fb e a t m a s t e rs e r v e s a so p e r a t i o ns p e e do fm i c r o b l a z ea n ds p e e d _ t e s tb l o c kw i t hr e s p o n s i b i l i t yf o rt e s t i n g t h et r a n s m i s s i o nr a t eo fp c i e t h i ss y s t e ma l s oc a nb eu s e da sac l o c kg e n e r a t o ri na l a r g e rs y s t e m b yt h i s ，u s e r sc a nc h a n g et h eo p e r a t i n g r a t eo fo t h e rb l o c k sr a n d o m l y i no r d e rt or e d u c et h ep o w e rd r a wo fc i r c u i t ，m o n i t o r i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o n a td i f f e r e n ts p e e d si san e c e s s a r yr e s e a r c h b a s e do ns y s t e m _ m o n i t o rm o d u l e ，a p o w e rm o n i t o rs y s t e mi sp r o d u c e d ，w h i c hm a i n l yc o n s i s t so f t h ep c ，m i c r o b l a z e ， s y s t e m _ m o n i t o ra n db e a t m a s t e rb l o c k u s e r si s s u ei n s t r u c t i o n st h r o u g hp ct e r m i n a l t oc h a n g et h es p e e do fm i e r o b l a z ea n du a r t , m e a n w h i l e ，m o n i t o rt h ep o w e r i n s t a n t a n e o u s l y b ya n a l y z i n gt h em e a s u r e dd a t a , i ti sd o u b t l e s s 纺a 乏w i t ht h ei n c r e a s e o fo p e r a t i n gr a t e ，p o w e rc o n s u m p t i o ni sn o n - l i n e a rg r o w t h k e y w o r d s ：d y n a m i cf r e q u e n c yr e c o n f i g u r a t i o n ；f p g a ；m m c m ；p o w e r 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 时光荏苒，转眼问三年的研究生生涯即将结束。回首三年来的学习和生活， 感慨颇多。其中有着对自身成长的感悟，对校园生活的留恋，对未来生活的期待， 当然还有对三年来陪伴我的家人、同学、老师和朋友的感激。 首先，我要感谢我的导师徐新民教授，在0 9 年入学到现在即将毕业的这段 时间里，您在学 - - j 和生活中都给予了我无私的帮助和关怀。您渊博的学识、严谨 的治学态度以及对科学研究的探索精神给我留下了不可磨灭的印记，令我受益匪 浅。 其次，我要感谢我的父母和长辈，从小学、中学到大学这一路走来，都有你 们在背后默默的支持，无私的付出。 同样，我要感谢陪伴我渡过研究生生活的室友和电路所同学，和你们一起学 习和生活是轻松的、愉快的。感谢时钟动频率态重置项目参与者o l i v e r f a u s t 、 胡家佳和新加坡义安理工学院的其它老师、同学，和你们一起合作是愉快的。还 要感谢实验室的其他同学马振亮、周雯、袁典波、陈耀、王青山、金献军、吕明。 最后，真心祝福我的父母，我的导师、同学和朋友们，祝你们身体健康，生 活美满，合家欢乐。 2 0 1 2 年2 月 于浙江大学玉泉校区 浙江大学硕士学位论文绪论 第1 章绪论 1 1 研究意义 时钟频率动态重置，即通过软件动态地改变电路模块的工作时钟频率，以达 到降低功耗、减少散热，延长电路模块使用寿命等作用。 研究时钟频率动态重置技术，在如今电子电路的飞速发展中，具有十分重要 的意义。首先便是电路功耗的减小。众所周知，电路工作频率越低，功耗就越小。 因此，在电路负荷比较轻的时候，可以相应降低其工作频率，从而降低功耗。同 时，如果频率改变，也会影响电路模块的实际电压，工作频率和实际电压同时降 低，可以进一步减少电路模块的功耗。频率动态重置技术的另一个显著优点是能 够减少电路的散热。显然，这个优点还能同时延长电路的寿命。 电路中引入时钟频率动态重置技术，除了以上两个共同的优点外，在不同的 使用环境、电路功能的情况下，还能产生相应的额外得益。例如，在带有散热风 扇的电路模块中，可以将散热风扇做成变速风扇，在电路工作频率较低，散热较 少的时候，降低风扇转速，不但可以减少风扇的功率消耗，进一步降低整体电路 的功耗，还能减小风扇带来的噪音。若应用在笔记本电脑中，还可延长电池一次 充电后的使用时间。 总之，时钟频率动态重置技术越来越受到研究者甚至用户的重视，越来越完 善的重置技术也已经应用到不同的领域。不论为开发商、生产商带来巨大利益， 对普通用户来说，也是一条节能的有效途径。 1 2 研究背景 目前，时钟频率动态重置主要应用于处理器中，使处理器运行时在性能和功 耗上达到比较理想的平衡。国际上比较有代表性的时钟频率动态重置技术，主要 有i n t e l 公司的s p e e d s t e p 技术以及a m d 公司的c o o l n q u i e t 和p o w e r n o w ! 技 术 浙江大学硕士学位论文绪论 1 2 1 i n t e l 的s p e e d s t e p 技术 s p e e d s t e p 是i n t e l 处理器中所采用的一种节省耗电的技术，它允许处理器芯 片的工作频率通过软件进行实时的动态重置【1 】【2 1 。众所周知，处理器工作在较高 的时钟频率下，会有较高的处理、运行速度，表现出较好的性能。但如果降低其 工作时钟频率，又能减少功耗以及散热。因此，s p e e d s t e p 技术通过实时地改变 处理器工作速率，可以使其在满足当前工作需求的前提下，大幅度节省耗电、减 少散热。 s p e e d s t e p 技术主要应用于移动电脑的处理器芯片中。最初，这项技术是为 节省移动电脑电池耗电而生，可以延长电池一次充电之后的使用时间。一般， s p e e d s t e p 还可控制一个电压调整系统，在降低芯片工作频率的同时，降低它的 电压，才能最大限度地节约用电。以p e n t i u mi i i 处理器为例，当接到交流电源时， 处理器频率为6 0 0 m h z ，电压为1 6 v 。若将其变为电池供电，在1 2 0 0 0 秒的时 间里，自动电源识别系统和电压调整系统会将其电压自动减小到1 3 5 v ，频率降 低到5 0 0 m h z 。在切换之后，s p e e d s t e p 技术可将处理器的功率降低4 0 ，同时 仍保持8 0 的最高性能。 发展至今，s p e e d s t e p 技术历经三代： 第一代s p e e d s t e p 技术，支持移动处理器的两种工作模式，即使用交流电源 时的最高性能模式( m a x i m u mp e r f o r m a n c em o d e ) 和使用电池时的电池优化模式 ( b a t t e r yo p t i m i z e dm o d e ) 。移动处理器可以根据电源的不同，自动切换工作模 式。 第二代s p e e d s t e p ( e n h a n c e ds p e e d s t e p ) 技术，则可以根据c p u 的负荷情 况在两种性能模式之间实时地进行频率的动态切换。此技术可支持移动处理器在 电池驱动时，根据处理器负荷情况自动切换到高性能模式的工作频率和电压；也 可以在接交流电源时，若处理器负荷较轻，便将其切换到低性能模式的工作频率 及电压。 第三代s p e e d s t e p ( i m p r o v e de n h a n c e ds p e e d s t e p ) 技术尽管仍只有两种基本 工作模式，但同时还具有多种中间模式，支持多种频率速度，根据处理器当时负 荷的强度自动切换工作模式。 在第三代s p e e d s t e p 技术的基础上，i n t e l 公司又推出了一个升级版本，即增 浙江大学硕士学位论文绪论 强型i n t ds p e e a s t e p 技术【3 】( e n h a n c e di n t e ls p e e c l s t e pt e c h n o l o g y , e i s t ) 。与第三 代s p e e d s t e p 技术不同的是，增强型i n t ds p e e x l s t e p 技术并不是为处理器提供几 个工作模式，而是监测处理器的使用率，并据其动态地改变处理器的倍频【4 】。处 理器的工作频率主要由倍频和外频决定，外频是整个计算机系统工作时必须要有 的一个基本的标准频率而因为处理器相比其他设备，工作频率要高很多，所以 在外频固定的情况下，通过处理器内部倍频的方法达到它所需的工作频率，即主 频。因此，处理器倍频的改变，会直接影响到处理器工作频率。同时，还可以对 移动版处理器的频率进行设定。例如，可以设置在使用电池的时候永远不要调整 到最高频率，而始终维持在一定频率之下进行改变。 对于用户来说，s p e e x l s t e p 技术一般是不可见的，它主要在后台自行实现其 功能。但如今，l m t e l 公司在系统平台上加载了一个旗状的图标，以便用户可以了 解当前电脑的工作模式。同时，用户可以在w i n d o w s 控制面板中的电源管理项 目中，对电脑工作模式进行有限的自定义设置。 1 2 2a m d 公司的c o o l nq u i e t 和p o w e r n o w ! 技术 a m d 公司的c o o l nq u i e t 5 】和p o w e r n o w ! 技术主要应用于其公司生产的处 理器中，不同之处在于前者应用于台式机或者服务器的处理器芯片中，后者应用 于移动芯片中。它们的功能与i n t e l 公司的s p e e d s t e p 技术基本相同，主要为降低 功耗，节能省电，减少散热等。 c o o l n q u i e t 被译为“清凉安静技术”，顾名思义，它在降低功耗与散热的同 时，还能响应减小散热风扇的转速，以达到减小噪音的目的。c o o l 1 1 q u i e t 技术 于2 0 0 2 年1 月1 8 日，由a m d 日本公司率先在o e m 版本的a t h l o nx p 处理器 中应用。而首次使用这种低耗电技术的a t h l o nx p1 5 0 0 + 处理器的工作频率最低 可以降至3 0 0 m h z ，功耗也可以从6 0 w 降低至5 0 w ，效果惊人 c o o l n q u i e t 技术强调安静的运行环境，因此对变速风扇的要求较高。一般 来说，使用c o o l nq u i e t 技术的台式电脑必须安装a m d 的原装风扇，如果使用 其他厂商的风扇是无法支持的，除非主板厂商提供解决方案。例如，华硕提供了 q f a nt e c h n o l o g y 技术，微星提供了c o r e c c 丑a t e r 应用程序，这样，即使使用一般 品牌的风扇也可以进行控制。 浙江大学硕士学位论文绪论 相较于c o o l n q u i e t 技术而言，p o w e r n o w ! 技术更注重对用电的节省，它 可以支持多达3 2 种节能状态。p o w c r n o w i 技术共有三种模式，即全速运行的高 性能模式，以省电为目的、始终以最低速度最低电压运行的省电模式，以及在性 能和功耗间取得合理应用的自动平衡模式。自动平衡模式下，系统可以密切监视 当前电脑操作情况，并按照应用程序的实际要求决定适当的频率及性能水平。也 就是说，p o w e r n o w ! 技术是按照电脑正在运行的应用程序来确定工作时钟频率 的。 并不是所有a m d 的移动处理器都支持p o w e r n o w ! 技术，用户可通过控制 面板下的电源选项检查是否安装及启用了p o w c r n o w i 节能技术软件。对采用了 p o w c r n o w ! 技术的笔记本电脑，可通过下载获得p o w c r n o w ! 技能技术仪表盘。 仪表盘以仪表形式显示所有电压、时钟速度和电池电量节约情况的测量数据，它 可以说明p o w c r n o w ! 如何与笔记本电脑配合工作。 1 3 研究内容及章节安排 论文详细介绍了改进型频率动态重置算法的原理、设计和实现，与现有重置 算法进行了比较，列出了改进型算法的优点。基于改进型算法，我们设计了一个 用户可控的频率动态重置系统，用户可在电脑终端发出指令，直接控制各个模块 的工作频率。最后，设计实现了功耗监测系统，可监测不同工作频率下，芯片的 功耗情况。论文章节安排如下： 第一章，绪论。本章详细说明了课题研究的意义，从而引出此技术的发展现 状以及应用领域、已有产品。最后介绍了论文的研究内容及章节安排。 第二章，时钟频率动态重置算法。本章介绍了基于混合模式时钟管理器的改 进型动态重置算法，并与现有算法进行比较，给出其优缺点。用m o d e l s i m 对改 进型算法进行仿真，给出了仿真波形。 第三章，用户可控的频率动态重置系统本章首先介绍了用户可控的频率动 态重置系统的总体结构以及各组成模块的工作原理和功能。然后介绍了频率动态 重置模块和电脑终端通过p c i c 连接的硬件实现方法。最后，给出了在示波器上 实现频率动态重置前后的波形图，证明了此系统的可实现性。 第四章，基于s y s t e m _ m o n i t o r 的功耗监测系统本章主要阐述了基于 4 浙江大学硕士学位论文 绪论 s y s t 锄m o n i t o r 的功耗监测系统的组成结构，详细介绍了主要模块的工作原理以 及在该系统中实现的功能。展示了在电脑终端的数据显示界面和供用户下达指令 的菜单界面，并简要描述了它们的设计、实现代码最后，给出了2 0 m h z 到 1 0 0 m h z 不同工作频率下芯片的测量电流、功率数据以及曲线图。 第五章，总结和展望。本章对本文的研究工作进行总结，并对下一步的研究 内容进行展望。 1 4 本章小结 在本章中，首先详细阐述了频率动态重置技术的研究意义和应用领域，介绍 了该技术的发展历程、现状，以及应用此技术的相关产品。最后就本文章节安排 做了较为简略的说明。 浙江大学硕士学位论文时钟频率动态重置算法 第2 章时钟频率动态重置算法 在本项目中，我们采用x i l i n x 公司的v i r t e x 一6 系列f p g a 芯片【6 胴，来实现 时钟频率的动态重置。v t r t e x 6 芯片中，每个时钟管理模块( c l o c k m a n a g e m e n t t i l e s ，c m t ) 包含有两个混合模式时钟管理器【8 】【9 1 ( m i x e d m o d ec l o c km a n a g e r , m m c m ) 。m m c m 可以通过它的动态重置端口( d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o np o r t ，d r p ) 动态地改变时钟的输出频率、相移以及占空比。每个m m c m 有7 个时钟输出端 口，可将其接入不同的电路模块，从而为不同模块提供时钟信号。本项目中，只 需实现动态改变时钟的输出频率，相移及占空比固定不变。 本算法中，将d r p 和m m c m 原型两个模块相连。用户可直接设置需要改 变时钟频率的输出端口地址以及频率值。d r p 可用状态机驱动，将接收到的用 户数据按顺序传送给m m c m 模块，从而完成时钟频率动态重置。 2 1m m c m 简介 2 1 1c t m 内的m m c m 连接 v i r t e x 6 系列的f p g a 芯片中，最多可有9 个c m t ，而每个c m t 都包含有 g l o b l ec i o e k s r e 西o n a lc l o c k s i n t e r n a lg l o b l ec i c e k s h o r i z o n t a lc 1 0 c k s g t x l o c a lr o u 血哐 图2 - 1c m t 内的m m c m 连接 浙江大学硕士学位论文时钟频率动态重置算法 两个m m c m ，这是v i r t c x 6 芯片所特有的【1 0 1 。c m t 内，两个m m c m 的连接以 及输入输出如图2 1 所示。m m c m 的输入可以是局部时钟信号( r e g i o n a l c l o c k s ) 、内部全局时钟信号( i n t e r n a lg l o b a lc l o c k s ) 以及水平时钟信( h o r i z o n t a l c l o c k s ) ，不能对上述信号进行线路延时的补偿。但m m c m 可以对全局时钟信号 ( g l o b a lc l o c k s ) 进行线路延时的补偿。此外，输入端口还可以直接连接f p g a 内 的可编程逻辑资源( g t x ) 或者局部电路( l o c a lr o u t i n g ) 来获得时钟信号，但不推 荐使用后者。输入端口的多路复用器为m m c m 选择输入时钟源或者反馈时钟信 号。c l k i n l 和c l k i n 2 为m m c m 的两个输入时钟端口，c l k b 为反馈时钟信 号端口时钟信号在m m c m 内部进行处理之后，由c l k o u t 端口输出。 2 1 2m m c m 功能介绍 m m c m 不但可以对时钟信号的属性进行动态重置，还可以时钟信号进行修 正【1 1 1 。m m c m 的主要功能如下： ( 1 ) 时钟网络抗扭斜。m m c m 可以对时钟网络的延时进行补偿。m m c m 的输出反馈时钟经过一个全局缓冲器到达它的反馈输入端口，这个反馈时钟与输 入时钟相匹配。这样，m m c m 所有的输出时钟相位都与输入时钟信号有一个固 定的关系。 ( 2 ) 输出频率动态重置。此时，可将m m c m 配置为频率合成器，既可以 整数分频，也可以小数分频。但在这种模式下，不能再使用全局网络抗扭斜功能， 因为反馈网络将会转为内部。小数分频的时钟信号只能由m m c m 的0 号端口来 输出，而且5 号输出端口的计数器由于要辅助完成小数分频功能，5 号输出端口 的分频计数器不能再被使用。同时，小数分频时，时钟信号的相移和占空比都是 不可重置的。 ( 3 ) 去抖动。m m c m 可以滤除输入参考时钟的抖动。这种模式下，m m c m 可被看作一个缓冲器，在它的输出时钟端口重新生成输入时钟。更强大的滤波功 能则需要m m c m 的b a n d w i d t h 属性来设置。 ( 4 ) 时钟信号占空比的可编程性。占空比的改变与时钟改变的步长有关， 而步长又取决于全局的分频值。 ( 5 ) 相移。m m c m 有多种实现相移的方法。最主要的有静态相移和插入相 7 浙江大学硕士学位论文时钟频率动态重置算法 移。两者的相移分辨率都却取决于压控振荡器( v o l t a g e c o n t r o l l e d o s c i l l a t o r , v c o ) 频率的大小而相移的大小与分频值有关。 m m c m 原型有基础型( m m c mb a s e ) 和加强型( m m c ma d v ) 两种， 如图2 2 所示。基础型m m c m 可以满足时钟去扭斜、频率合成、相移以及改变 占空比的功能。加强型m m c m 除了具有上述功能外，还添加了一些端口用于实 现一些附加功能。如，时钟切换，同一c m t 内两个m m c m 的连接，以及与动 态重置端口( d y n a m i cr e c o n f i g u r a t i o np o r t ，d r p ) 的连接。 c u ( 1 n 1c i 陶d u t o c l 豫翟嗍 c l k f 翻nc i 妁引i t l r s te l 姗玎1 b p w 网d 帆剃c l t r r 2 c lk o u l 2 b c l t j l r 3 c l 婚鹏 c l 孤丌 e li u t 5 c l o u t 6 c l k 翔 x ， c l k f b d t 丌b i o c k 田 m m c 酗b a s e c l k i n lc l k o u t 0 c l k i n 2 c l 婚飘几o b c l k f ：b i n c l k d u t i r s t c l k o u t l b p w r d w n c l k i d u t 2 c l k i n s e l c l k o l r r 2 b d a d d r l 6 q c l k d u t 3 d 蛭15 - o l c i k o t j t 3 b d w e c l k d u t 4 d 日q c l 豫孤，r 5 d c u ( p s i n c d e c c u t 8 p s e n c u ( f b o lr r p s c l k c l k f b o u t b l o c k e d d o l l 5 ：0 】 d r p s d o n e 似i n s t o p p e d c i ( f b s l o p p e d 图2 - 2m m c m 原型 2 1 2m m c m 动态重置时钟频率的原理 m c m a d v m m c m 的结构图【1 2 如图2 3 所示。输入时钟进入m m c m 模块，首先通过 一个多路复用器。多路复用器可在两个输入时钟源中进行选择，被选中的时钟信 号首先经过一个分频器( d ) 进行分频。输入时钟信号和反馈时钟信号的上升沿 到来时，相位一频率检测器( p h a s e - f r e q u e n c yd e t e c t o r , p f d ) 比较两个时钟的频 8 浙江大学硕士学位论文时钟频率动态重置算法 c l k l n l c u ( 1 n 2 c u 仔b 吲寸1 凹h 听卜 v c o 卜 r 、, - - - - ! - 洲 i 1 厂 0 0 h 刚 一一一一一 j l 0 1 一c u u一c “ r 、 一c “ 1 广 0 2 一c u 一c l k ) _ o 曙h c “ - c u c ) _ 0 4 c “ _ 0 5 一c “ ) 一 0 6 ) _ m 图2 3m m g m 结构图 率以及相位，并产生一个比例信号给后面的充电泵( c h a r g ep u m p ，c p ) 和环路 滤波器( l o o pf i l t e r , l f ) 。后两者再产生一个参考电压给v c o 。p f d 还需要根据 输入时钟和反馈时钟，产生一个上升或者下降的信号给c p 和l f ，v c o 以此来 升高或者降低产生的时钟频率。例如，v c o 输出时钟频率过高时，p f d 产生一 个下降信号，降低v c o 的控制电压，从而减小时钟频率而p f d 产生的比例信 号，则可以决定频率改变的大小。 反馈时钟信号则需要经过一个倍频器( m ) 再到达p f d ，这样，倍频器也相 应改变了m m c m 输出时钟的频率，增大了频率改变范围。此外，每个m m c m 有7 个时钟输出端口，每个输出端口又分别对应一个分频器( q ) 。因此，每个 时钟端口都可以独立的改变其频率，不但进一步扩大了频率变化范围，还大大增 强了m m c m 频率重置的灵活性。 2 2m m c m 参数的设定 m m c m 编程需要遵循一些必要的原则或限制，以保证它的稳定性以及性能。 而要对m m c m 进行编程，必须要考虑以下信息： 参考输入时钟信号 输出时钟频率 输出时钟信号占空比 浙江大学硕士学位论文时钟频率动态重置算法 输出时钟信号相移 m m c m 所需带宽属性( 默认为o p t i m i z e d ，可通过软件改变) 补偿模式( 由软件自动选择) 时钟抖动判定值( 例如，占参考时钟周期的百分比) 2 2 1 输出时钟频率计算 本项目中，我们只需改变时钟信号的频率，而相位和占空比固定不变。因此， 可以把m m c m 配置成一个频率合成器，如图2 4 所示。 图2 - 4m m c m 配重为频翠笛厩器 由图2 - 4 可以看出，b 阳为p f d 的频率： = 誓，( 2 - 1 ) v c o 的输出频率为： = 万m ，( 2 - 2 ) 其中，为m m c m 的输入时钟频率，m 为输入时钟频率倍频值，d 为输 入时钟的分频值【1 3 】m 和d 均可对所有的时钟输出产生影响。 每个m m c m 有7 个时钟输出端口，其时钟输出频率为： 易啪2 鲁，( 2 - 3 ) f 其中，q 为第i 个时钟输出对的分频值，- - 0 ，1 ，6 。 由( 2 2 ) 、( 2 - 3 ) 两式可以看出，m m c m 的输入时钟在经过一次倍频两次分频 后被送到输出端口，输出频率的变化比较灵活，频率改变范围曲较大。 浙江大学硕士学位论文时钟频率动态重置算法 2 2 2 各参数设定 v i l - e x 6 系列f p g a 芯片共有3 、2 、1 和1 l 四个速度级，其中，3 级有最 高的性能。本项目中，我们采用1 级速度的f p g a 芯片，其相关参数的取值范 围如表2 1 所示。 表2 - 1 相关参数取值范围 从表2 1 中，我们可以看出，m 、d 和口三个参数变量都有其取值范围，且 最多有5 9 x 8 0 x 1 2 8 = 6 0 4 1 6 0 种组合。但是实际上，在输入时钟频率相同的情况下， 得到的不同的输出时钟频率肯定少于6 0 4 1 6 0 种。造成这种现象的原因主要有两 个，一是由于耳、乃c d 和易w 取值范围的约束，从d 和0 f 的部分取值组合 不能实现，二是虽然有些m 、d 和o 取值组合不同，但是得到了相同的输出时 钟频率。 例如，假设输入频率= i o o m h z 。由表2 1 可以看出，p f d 的频率最小 为1 0 m h z ，因此，d 的取值只能从1 到1 0 。 当d = i 时，由于v c o 的取值范围是6 0 0 m h z 到1 2 0 0 m h z ，根据式( 2 2 ) 可 计算得到，m 的取值范围为 6 ，1 2 。 同理，当9 = - 2 时，m 的取值范围为 1 2 ，2 4 当9 = - 3 时，m 的取值范围为 1 8 ，3 6 。 当9 - - 4 时，m 的取值范围为 2 4 ，4 8 。 当9 = - 5 时，m 的取值范围为 3 0 ，6 0 。 当d - - 6 时，还要同时考虑m 本身的最大取值为6 4 ，因此，它的取值范围为 3 6 ，6 4 。 当7 d 1 0 时，同样的m 的最大值不能超过6 4 。 浙江大学硕士学位论文时钟频率动态重置算法 同理，根据f e r n 、和f o 盯的上下限，还可以进一步减小m 和d 的取值 范围。此外，例如d = - i ，m = 6 和d = - 2 ，m = 1 2 两种情况下，得到的v c o 的频率 是相同的，此种情况，又大大减小了m 和d 的取值组合。 一般的，我们可以通过以下公式计算m 和d 的上下限 = 石f c z x m ， ( 2 - 4 ) = 石f c l r a u ， ( 2 5 ) = i f v c o u m ， ( 2 - 6 ) f m 脚= 笔巡 ( 2 7 ) c l k 雕 对于一个配置为频率合成器的m m c m 来说，需要设定的参数主要有、 m 、d 和q 在本项目中，q 可以有用户直接控制改变，因此不用在设计系统 时考虑此参数值。而在复杂的系统中，一般不能在系统运行中随意改变， 否则会因为时钟造成系统的崩溃。m 和d 也是用户不可控的，需要设计者预先 设置好它们的取值因此，我们可以按照以下步骤确定、m 和d 的取值。 s t e pl ：选择合适的输入时钟频率。如果已确定了多个所需要的输出时钟频 率，可以倒推出一个比较合适的范围，使实现几个不同输出时钟频率的m 和d 取值组合相同。此外，若m m c m 应用在一个复杂系统中，还要考虑一些实 际情况，如，这个系统可提供的参考时钟频率有限，尽量与其他模块共享参考时 钟。 s t e p2 ：根据式( 2 4 ) 、( 2 5 ) 、( 2 6 ) 、( 2 7 ) ，以及表2 - 1 中各参数的取值范围， 计算出d 和m 的最大值与最小值。 s t e p3 ：根据输入时钟频率，以及已确定的所需的一个或多个输出时钟频率， 根据式( 2 2 ) 、( 2 3 ) 计算出m 、d 和q 三个参数变量的取值组合范围。这些取值 组合必须满足s t e p2 中计算出的m 和d 的上下限要求。 浙江大学硕士学位论文时钟频率动态重置算法 s t e p4 ：不同的m 、d 取值组合，又得到了不同范围的输出时钟频率。根据 实际情况，选择比较合适的输出时钟频率范围，以此确定m 和d 的取值。同时 考虑，q 为用户可设定的分频值，只能对进行分频，因此，应使尽量 大，这样用户可选择的频率范围更大。 2 3m m c m 动态重置算法 m m c m 作为一个成熟的功能模块，存储在x i l i n x 的库中，用户可以随时调 用，不必自己设计实现【1 4 1 。用户只需按顺序为m m c m 模块提供频率重置所需的 数据信号以及使能信号。动态重置端口( d y n a m i c a lc o n f i g u r a t i o np o r t ，d r p ) 作为用户和m m c m 的连接模块，可以完成此功能1 5 1 1 6 1 。m m c ma d v 与d r p 的连接如图2 5 所示。 m m c md r p m m c m a d v d w e d w e d e nd e n ls a d d r d a d d rd a o d r 、二 s e n d id i 、一 一 s r d y d od o j 一 j： s c u d r d yd r d y 一， 一 r s td c l k d c l k l o c k e d僦k e d r s t _ m m c m r s t 2 3 1d r p 简介 图2 - 5m m c m 与d r p 的连接图 d r p 指的是应用于每个需要重置的功能模块的、可寻址并行读写配置存储 器1 7 1 。在v i r t c x 一6 系列f p g a 芯片中，d i 冲与功能模块的连接如图2 - 6 所示。 d r p 与功能模块内的控制器直接相连的端口定义如表2 2 所示。 浙江大学硕士学位论文时钟频率动态重置算法 配置逻辑 ；动键模块 ： 图2 - 60 r p 与功能模块连接图 表2 - 2d r p 面向功能模块的端口定义 端口名称方向描述 参考时钟输入端口。d r p 的各端口信号在参考时钟的上 d c l k 输出 升沿发生动作 所有端口的使能信号。当d w e 为0 时，d r p 执行读操 d e n 输出 作；当d w e 为1 时，d r p 执行写操作。 d w e 输出读写判断信号。当d w e 有效时，数据可写入d r p 。 d a d d r m ：0 输出 地址信号。指明下一步的读写操作在哪一个单元完成。 写入数据。d i 端口的数据写入d a d d r 信号所指定的单 d i n ：0 】 输出 元模块中去。 读出数据。d o 端口可读出d a d d r 信号所指定的单元模 d o n ：0 输入 块中的内容。 通知信号。d r d y 有效，表明一个d r p 读写周期已经结 d r d y 输入 束，可进入下一个操作周期。 d r p 是同步并行存储端口。同步时钟信号由端口d c l k 提供，当d c l k 上 升沿到来时，d r p 的所有输出信号都暂存在端口中，而在下一个d c l k 上升沿 到来之前，输入数据、地址以及d w e 和d e n 端口信号都写入到功能模块中。 而d o 和d r d y 端口信号需要在几个d c l k 周期之后才能读入到d r p 。写入时 序和读出时序分别如图2 7 和图2 8 所示。 浙江大学硕士学位论文时钟频率动态重置算法 。e n i 九i - - l l 厂- - ：； d r d v 啪唧叫二士姆 j ：= = 二= = 二 。ttn：。，：)ilijli(=ibiibiibiibib：ii：!：= j l - l 上。上一 d o 【n 捌 图2 - 7 写入时序 o c 眯 r r i - - - 厂 厂 r r 。刚 i 九i - - _ ii 凡 i d r d v d l ，e 队唧m 叫二士贮：七j 二= d l n ：0 】 d o n ：0 1 图2 - 8 读出时序 用户与d e p 交互的端口定义如表2 3 所示。 表2 - 3d r p 面向用户的端口定义 端口名称方向描述 参考时钟信号。即d c l k 端口的输出时钟信号。为d r p s c l k输入 和功能模块提供参考时钟。 r s t输入 重启信号。 s e n输入 使能信号。 s a d d r m ：0 输入 输入数据。 指示信号。即d r d y 信号。通知用户此次重置完成，可 s r d y输出 进行下一次重置。 浙江大学硕士学位论文 时钟频率动态重置算法 2 3 2 数据转换