Vivado下PLL實驗 ALINX

作者： ALINX

適用于板卡型號：

AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

實驗Vivado工程為“pll_test”。

很多初學者看到板上只有一個25Mhz時鐘輸入的時候都產(chǎn)生疑惑，時鐘怎么是25Mhz？如果要工作在100Mhz、150Mhz怎么辦？其實在很多FPGA芯片內(nèi)部都集成了PLL，其他廠商可能不叫PLL，但是也有類似的功能模塊，通過PLL可以倍頻分頻，產(chǎn)生其他很多時鐘。本實驗通過調(diào)用PLL IP core來學習PLL的使用、vivado的IP core使用方法。

1.實驗原理

PLL（phase-locked loop），即鎖相環(huán)。是FPGA中的重要資源。由于一個復雜的FPGA系統(tǒng)往往需要多個不同頻率，相位的時鐘信號。所以，一個FPGA芯片中PLL的數(shù)量是衡量FPGA芯片能力的重要指標。FPGA的設(shè)計中，時鐘系統(tǒng)的FPGA高速的設(shè)計極其重要，一個低抖動， 低延遲的系統(tǒng)時鐘會增加FPGA設(shè)計的成功率。

本實驗將通過使用PLL， 輸出一個方波到開發(fā)板上的擴展口，來給大家演示在Vivado軟件里使用PLL的方法。

Ultrascale+系列的FPGA使用了專用的全局（Global）和區(qū)域（Regional）IO和時鐘資源來管理設(shè)計中各種的時鐘需求。Clock Management Tiles（CMT）提供了時鐘合成（Clock frequency synthesis），傾斜矯正（deskew），過濾抖動（jitter filtering）功能。

每個CMTs包含一個MMCM（mixed-mode clock manager）和一個PLL。如下圖所示，CMT的輸入可以是BUFR，IBUFG，BUFG，GT，BUFH，本地布線（不推薦使用），輸出需要接到BUFG或者BUFH后再使用

混合模式時鐘管理器（MMCM）

MMCM用于在與給定輸入時鐘有設(shè)定的相位和頻率關(guān)系的情況下，生成不同的時鐘信號。MMCM提供了廣泛而強大的時鐘管理功能，

MMCM內(nèi)部的功能框圖如下圖所示：

數(shù)字鎖相環(huán)（PLL）

鎖相環(huán)（PLL）主要用于頻率綜合。使用一個PLL可以從一個輸入時鐘信號生成多個時鐘信號。與MMCM相比，不能進行時鐘的deskew，不具備高級相位調(diào)整，倍頻器和分頻器可調(diào)范圍較小等。

PLL功能框圖如下圖所示：

想了解更多的時鐘資源， 建議大家看看Xilinx提供的文檔“7 Series FPGAs Clocking Resources User Guide”。

2. 創(chuàng)建Vivado工程

本實驗中為大家演示如果調(diào)用Xilinx提供的PLL IP核來產(chǎn)生不同頻率的時鐘， 并把其中的一個時鐘輸出到FPGA外部IO上， 下面為程序設(shè)計的詳細步驟。在創(chuàng)建PLL IP之前，有一點需要提下，在原理圖中可以看到PL_REF_CLK，也就是25MHz參考時鐘，在BANK44中，而且屬于HDGC

在ug572文檔中提到HDGC引腳不能直接連接到MMCMs/PLLs，需要經(jīng)過BUFG，再連接到MMCMs/PLLs，這個地方是需要注意的。

新建一個pll_test的工程，點擊Project Manager界面下的IP Catalog。

2.1 再在IP Catalog界面里選擇FPGA Features and Design/Clocking下面的Clocking Wizard，雙擊打開配置界面。

2.2 默認這個Clocking Wizard的名字為clk_wiz_0， 這里我們不做修改。在第一個界面Clocking Options里，輸入的時鐘頻率為25Mhz，并選擇No buffer，也就是在PLL之前要接個BUFG。

2.3 在Output Clocks界面里選擇clk_out1~clk_out4四個時鐘的輸出，頻率分別為200Mhz， 100Mhz， 50Mhz， 25Mhz。這里還可以設(shè)置時鐘輸出的相位，我們不做設(shè)置，保留默認相位，點擊 OK完成，

2.4 在彈出的對話框中點擊Generate按鈕生成PLL IP的設(shè)計文件。

2.5 這時一個 clk_wiz_0.xci的IP會自動添加到我們的pll_test項目中， 用戶可以雙擊它來修改這個IP的配置。

選擇IP Sources這頁，然后雙擊打開clk_wiz_0.veo文件，這個文件里提供了這個IP的實例化模板。我們只需要把框框的中內(nèi)容拷貝到我們verilog程序中，對IP進行實例化。

2.6 我們再來編寫一個頂層設(shè)計文件來實例化這個PLL IP， 編寫pll_test.v代碼如下。注意PLL的復位是高電平有效，也就是高電平時一直在復位狀態(tài)，PLL不會工作，這一點很多新手會忽略掉。這里我們將rst_n綁定到一個按鍵上，而按鍵是低電平復位，因此需要反向連接到PLL的復位。在程序中插入一個BUFG原語，連接到PLL。

`timescale1ns/1ps

module pll_test（

input sys_clk，//system clock 25Mhz on board

input rst_n，//reset ，low active

output clk_out //pll clock output

）;

wire locked;

wire sys_clkbuf ;

BUFG BUFG_inst （

.O（sys_clkbuf），// 1-bit output： Clock output.

.I（sys_clk）// 1-bit input： Clock input.

）;

/////////////////////PLL IP call////////////////////////////

clk_wiz_0 clk_wiz_0_inst

（// Clock in ports

.clk_in1（sys_clkbuf），// IN 25Mhz

// Clock out ports

.clk_out1（），// OUT 200Mhz

.clk_out2（），// OUT 100Mhz

.clk_out3（），// OUT 50Mhz

.clk_out4（clk_out），// OUT 25Mhz

// Status and control signals

.reset（~rst_n），// pll reset， high-active

.locked（locked））;// OUT

endmodule

程序中先用實例化clk_wiz_0， 把25Mhz時鐘信號輸入到clk_wiz_0的clk_in1_p和clk_in1_n，把clk_out4的輸出賦給clk_out。

注意：例化的目的是在上一級模塊中調(diào)用例化的模塊完成代碼功能，在Verilog里例化信號的格式如下：模塊名必須和要例化的模塊名一致，比如程序中的clk_wiz_0，包括模塊信號名也必須一致，比如clk_in1，clk_out1，clk_out2.。..。。連接信號為TOP程序跟模塊之間傳遞的信號，模塊與模塊之間的連接信號不能相互沖突，否則會產(chǎn)生編譯錯誤。

2.7 保存工程后，pll_test自動成為了top文件，clk_wiz_0成為Pll_test文件的子模塊。

2.8 再為工程添加xdc管腳約束文件pll.xdc，添加方法參考”PL的”Hello World”LED實驗”，也可以直接復制以下內(nèi)容。并編譯生成bitstream。

############## clock and reset define##################set_property PACKAGE_PIN AB11 ［get_ports sys_clk］

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 ［get_ports sys_clk］

create_clock -period 40.000 -name sys_clk -waveform {0.000 20.000} ［get_ports sys_clk］

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 ［get_ports {rst_n}］

set_property PACKAGE_PIN AA13 ［get_ports {rst_n}］

############## pll output define J11 PIN3##################

set_property IOSTANDARD LVCMOS33 ［get_ports clk_out］

set_property PACKAGE_PIN A11 ［get_ports clk_out］

3.板上驗證

編譯工程并生成pll_test.bit文件，再把bit文件下載到FPGA中，接下去我們就可以用示波器來測量輸出時鐘波形了。

用示波器探頭的地線連接到開發(fā)板上的地（開發(fā)板J15的PIN1腳），信號端連接開發(fā)板J15的PIN3腳（測量的時候需要注意，避免示波器表頭碰到其它管腳而導致電源和地短路）。

這時我們可以在示波器里看到25Mhz的時鐘波形，波形的幅度為3.3V， 占空比為1:1，波形顯示如下圖所示：

如果您想輸出其它頻率的波形，可以修改時鐘的輸出為clk_wiz_0的clk_out2或clk_out3或clk_out4。也可以修改clk_wiz_0的clk_out4為您想要的頻率，這里也需要注意一下，因為時鐘的輸出是通過PLL對輸入時鐘信號的倍頻和分頻系數(shù)來得到的，所以并不是所有的時鐘頻率都可以用PLL能夠精確產(chǎn)生的，不過PLL也會自動為您計算實際輸出接近的時鐘頻率。

另外需要注意的是，有些用戶的示波器的帶寬和采樣率太低，會導致測量高頻時鐘信號的時候，高頻部分衰減太大，測量波形的幅度會變低。

審核編輯：何安