作者： ALINX

適用于板卡型號(hào)：

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

實(shí)驗(yàn)Vivado工程為“pll_test”。

很多初學(xué)者看到板上只有一個(gè)25Mhz時(shí)鐘輸入的時(shí)候都產(chǎn)生疑惑，時(shí)鐘怎么是25Mhz？如果要工作在100Mhz、150Mhz怎么辦？其實(shí)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(guò)PLL可以倍頻分頻，產(chǎn)生其他很多時(shí)鐘。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)調(diào)用PLL IP core來(lái)學(xué)習(xí)PLL的使用、vivado的IP core使用方法。

1.實(shí)驗(yàn)原理

PLL（phase-locked loop），即鎖相環(huán)。是FPGA中的重要資源。由于一個(gè)復(fù)雜的FPGA系統(tǒng)往往需要多個(gè)不同頻率，相位的時(shí)鐘信號(hào)。所以，一個(gè)FPGA芯片中PLL的數(shù)量是衡量FPGA芯片能力的重要指標(biāo)。FPGA的設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘系統(tǒng)的FPGA高速的設(shè)計(jì)極其重要，一個(gè)低抖動(dòng)， 低延遲的系統(tǒng)時(shí)鐘會(huì)增加FPGA設(shè)計(jì)的成功率。

本實(shí)驗(yàn)將通過(guò)使用PLL， 輸出一個(gè)方波到開發(fā)板上的擴(kuò)展口，來(lái)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(shí)鐘資源來(lái)管理設(shè)計(jì)中各種的時(shí)鐘需求。Clock Management Tiles（CMT）提供了時(shí)鐘合成（Clock frequency synthesis），傾斜矯正（deskew），過(guò)濾抖動(dòng)（jitter filtering）功能。

每個(gè)CMTs包含一個(gè)MMCM（mixed-mode clock manager）和一個(gè)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(shí)鐘管理器（MMCM）

MMCM用于在與給定輸入時(shí)鐘有設(shè)定的相位和頻率關(guān)系的情況下，生成不同的時(shí)鐘信號(hào)。MMCM提供了廣泛而強(qiáng)大的時(shí)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(gè)PLL可以從一個(gè)輸入時(shí)鐘信號(hào)生成多個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。與MMCM相比，不能進(jìn)行時(shí)鐘的deskew，不具備高級(jí)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(shí)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(shí)驗(yàn)中為大家演示如果調(diào)用Xilinx提供的PLL IP核來(lái)產(chǎn)生不同頻率的時(shí)鐘， 并把其中的一個(gè)時(shí)鐘輸出到FPGA外部IO上， 下面為程序設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟。在創(chuàng)建PLL IP之前，有一點(diǎn)需要提下，在原理圖中可以看到PL_REF_CLK，也就是25MHz參考時(shí)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(guò)BUFG，再連接到MMCMs/PLLs，這個(gè)地方是需要注意的。

新建一個(gè)pll_test的工程，點(diǎn)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(rèn)這個(gè)Clocking Wizard的名字為clk_wiz_0， 這里我們不做修改。在第一個(gè)界面Clocking Options里，輸入的時(shí)鐘頻率為25Mhz，并選擇No buffer，也就是在PLL之前要接個(gè)BUFG。

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

2.4 在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊Generate按鈕生成PLL IP的設(shè)計(jì)文件。

2.5 這時(shí)一個(gè) clk_wiz_0.xci的IP會(huì)自動(dòng)添加到我們的pll_test項(xiàng)目中， 用戶可以雙擊它來(lái)修改這個(gè)IP的配置。

選擇IP Sources這頁(yè)，然后雙擊打開clk_wiz_0.veo文件，這個(gè)文件里提供了這個(gè)IP的實(shí)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(duì)IP進(jìn)行實(shí)例化。

2.6 我們?cè)賮?lái)編寫一個(gè)頂層設(shè)計(jì)文件來(lái)實(shí)例化這個(gè)PLL IP， 編寫pll_test.v代碼如下。注意PLL的復(fù)位是高電平有效，也就是高電平時(shí)一直在復(fù)位狀態(tài)，PLL不會(huì)工作，這一點(diǎn)很多新手會(huì)忽略掉。這里我們將rst_n綁定到一個(gè)按鍵上，而按鍵是低電平復(fù)位，因此需要反向連接到PLL的復(fù)位。在程序中插入一個(gè)BUFG原語(yǔ)，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(shí)例化clk_wiz_0， 把25Mhz時(shí)鐘信號(hào)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(jí)模塊中調(diào)用例化的模塊完成代碼功能，在Verilog里例化信號(hào)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(hào)名也必須一致，比如clk_in1，clk_out1，clk_out2.。..。。連接信號(hào)為TOP程序跟模塊之間傳遞的信號(hào)，模塊與模塊之間的連接信號(hào)不能相互沖突，否則會(huì)產(chǎn)生編譯錯(cuò)誤。

2.7 保存工程后，pll_test自動(dòng)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(shí)驗(yàn)”，也可以直接復(fù)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(yàn)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(lái)測(cè)量輸出時(shí)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(hào)端連接開發(fā)板J15的PIN3腳（測(cè)量的時(shí)候需要注意，避免示波器表頭碰到其它管腳而導(dǎo)致電源和地短路）。

這時(shí)我們可以在示波器里看到25Mhz的時(shí)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(shí)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?yàn)闀r(shí)鐘的輸出是通過(guò)PLL對(duì)輸入時(shí)鐘信號(hào)的倍頻和分頻系數(shù)來(lái)得到的，所以并不是所有的時(shí)鐘頻率都可以用PLL能夠精確產(chǎn)生的，不過(guò)PLL也會(huì)自動(dòng)為您計(jì)算實(shí)際輸出接近的時(shí)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(huì)導(dǎo)致測(cè)量高頻時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)候，高頻部分衰減太大，測(cè)量波形的幅度會(huì)變低。

審核編輯：何安