【ZYNQ Ultrascale+ MPSOC FPGA教程】第五章 Vivado下PLL实验 ALINX

作者： ALINX
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适用于板卡型号：
AXU2CGA/AXU2CGB/AXU3EG/AXU4EV-E/AXU4EV-P/AXU5EV-E/AXU5EV-P /AXU9EG/AXU15EG

实验Vivado工程为“pll_test”。

很多初学者看到板上只有一个25Mhz时钟输入的时候都产生疑惑，时钟怎么是25Mhz？如果要工作在100Mhz、150Mhz怎么办？其实在很多FPGA芯片内部都集成了PLL，其他厂商可能不叫PLL，但是也有类似的功能模块，通过PLL可以倍频分频，产生其他很多时钟。本实验通过调用PLL IP core来学习PLL的使用、vivado的IP core使用方法。

1.实验原理
PLL(phase-locked loop)，即锁相环。是FPGA中的重要资源。由于一个复杂的FPGA系统往往需要多个不同频率，相位的时钟信号。所以，一个FPGA芯片中PLL的数量是衡量FPGA芯片能力的重要指标。FPGA的设计中，时钟系统的FPGA高速的设计极其重要，一个低抖动, 低延迟的系统时钟会增加FPGA设计的成功率。

本实验将通过使用PLL, 输出一个方波到开发板上的扩展口，来给大家演示在Vivado软件里使用PLL的方法。

Ultrascale+系列的FPGA使用了专用的全局(Global)和区域(Regional)IO和时钟资源来管理设计中各种的时钟需求。Clock Management Tiles(CMT)提供了时钟合成(Clock frequency synthesis)，倾斜矫正(deskew)，过滤抖动(jitter filtering)功能。

每个CMTs包含一个MMCM(mixed-mode clock manager)和一个PLL。如下图所示，CMT的输入可以是BUFR，IBUFG，BUFG，GT，BUFH，本地布线（不推荐使用），输出需要接到BUFG或者BUFH后再使用

混合模式时钟管理器(MMCM)

MMCM用于在与给定输入时钟有设定的相位和频率关系的情况下，生成不同的时钟信号。MMCM提供了广泛而强大的时钟管理功能，

MMCM内部的功能框图如下图所示:

数字锁相环(PLL)

锁相环（PLL）主要用于频率综合。使用一个PLL可以从一个输入时钟信号生成多个时钟信号。与MMCM相比，不能进行时钟的deskew，不具备高级相位调整，倍频器和分频器可调范围较小等。

PLL功能框图如下图所示:

想了解更多的时钟资源, 建议大家看看Xilinx提供的文档"7 Series FPGAs Clocking Resources User Guide"。

2. 创建Vivado工程
本实验中为大家演示如果调用Xilinx提供的PLL IP核来产生不同频率的时钟, 并把其中的一个时钟输出到FPGA外部IO上, 下面为程序设计的详细步骤。在创建PLL IP之前，有一点需要提下，在原理图中可以看到PL_REF_CLK，也就是25MHz参考时钟，在BANK44中，而且属于HDGC

在ug572文档中提到HDGC引脚不能直接连接到MMCMs/PLLs，需要经过BUFG，再连接到MMCMs/PLLs，这个地方是需要注意的。

新建一个pll_test的工程，点击Project Manager界面下的IP Catalog。

2.1 再在IP Catalog界面里选择FPGA Features and Design/Clocking下面的Clocking Wizard，双击打开配置界面。

2.2 默认这个Clocking Wizard的名字为clk_wiz_0, 这里我们不做修改。在第一个界面Clocking Options里，输入的时钟频率为25Mhz，并选择No buffer，也就是在PLL之前要接个BUFG。

2.3 在Output Clocks界面里选择clk_out1~clk_out4四个时钟的输出，频率分别为200Mhz, 100Mhz, 50Mhz, 25Mhz。这里还可以设置时钟输出的相位，我们不做设置，保留默认相位,点击 OK完成,

2.4 在弹出的对话框中点击Generate按钮生成PLL IP的设计文件。

2.5 这时一个 clk_wiz_0.xci的IP会自动添加到我们的pll_test项目中, 用户可以双击它来修改这个IP的配置。

选择IP Sources这页，然后双击打开clk_wiz_0.veo文件，这个文件里提供了这个IP的实例化模板。我们只需要把框框的中内容拷贝到我们verilog程序中，对IP进行实例化。

2.6 我们再来编写一个顶层设计文件来实例化这个PLL IP, 编写pll_test.v代码如下。注意PLL的复位是高电平有效，也就是高电平时一直在复位状态，PLL不会工作，这一点很多新手会忽略掉。这里我们将rst_n绑定到一个按键上，而按键是低电平复位，因此需要反向连接到PLL的复位。在程序中插入一个BUFG原语，连接到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

程序中先用实例化clk_wiz_0, 把25Mhz时钟信号输入到clk_wiz_0的clk_in1_p和clk_in1_n，把clk_out4的输出赋给clk_out。

注意：例化的目的是在上一级模块中调用例化的模块完成代码功能，在Verilog里例化信号的格式如下：模块名必须和要例化的模块名一致，比如程序中的clk_wiz_0，包括模块信号名也必须一致，比如clk_in1，clk_out1，clk_out2.....。连接信号为TOP程序跟模块之间传递的信号，模块与模块之间的连接信号不能相互冲突，否则会产生编译错误。

2.7 保存工程后，pll_test自动成为了top文件，clk_wiz_0成为Pll_test文件的子模块。

2.8 再为工程添加xdc管脚约束文件pll.xdc，添加方法参考”PL的”Hello World”LED实验”，也可以直接复制以下内容。并编译生成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.板上验证
编译工程并生成pll_test.bit文件，再把bit文件下载到FPGA中，接下去我们就可以用示波器来测量输出时钟波形了。

用示波器探头的地线连接到开发板上的地（开发板J15的PIN1脚)，信号端连接开发板J15的PIN3脚（测量的时候需要注意，避免示波器表头碰到其它管脚而导致电源和地短路)。

这时我们可以在示波器里看到25Mhz的时钟波形，波形的幅度为3.3V, 占空比为1:1,波形显示如下图所示：

如果您想输出其它频率的波形，可以修改时钟的输出为clk_wiz_0的clk_out2或clk_out3或clk_out4。也可以修改clk_wiz_0的clk_out4为您想要的频率，这里也需要注意一下，因为时钟的输出是通过PLL对输入时钟信号的倍频和分频系数来得到的，所以并不是所有的时钟频率都可以用PLL能够精确产生的，不过PLL也会自动为您计算实际输出接近的时钟频率。

另外需要注意的是，有些用户的示波器的带宽和采样率太低，会导致测量高频时钟信号的时候，高频部分衰减太大，测量波形的幅度会变低。