《DFZU2EG_4EV MPSoc之FPGA开发指南》第十一章 IP核之MMCM/PLL实验

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第十一章 IP核之MMCM/PLL实验

1）实验平台：正点原子 DFZU2EG/4EV MPSoC开发板

2) 章节摘自【正点原子】DFZU2EG/4EV MPSoC之FPGA开发指南 V1.0

3）购买链接:https://detail.tmall.com/item.htm?id=692450874670

4）全套实验源码+手册+视频下载地址：http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz-MPSOC.html

5）正点原子官方B站：https://space.bilibili.com/394620890

6）FPGA技术交流QQ群:994244016

PLL的英文全称是Phase Locked Loop，即锁相环，是一种反馈控制电路。PLL对时钟网络进行系统级的时钟管理和偏移控制，具有时钟倍频、分频、相位偏移和可编程占空比的功能。Zynq UltraScale+ MPSoC架构的设备中的时钟生成和分配组件位于包含内存接口和输入输出电路的列附近。时钟和I/O的这种紧密耦合为内存接口和其他I/O协议的I/O提供了低延迟时钟。在每个时钟管理块（CMT）中都有一个混合模式时钟管理器（MMCM）、两个PLL、时钟分配缓冲区和路由以及用于实现外部存储器接口的专用电路。对于一个简单的设计来说，FPGA整个系统使用一个时钟或者通过编写代码的方式对时钟进行分频是可以完成的，但是对于稍微复杂一点的系统来说，系统中往往需要使用多个时钟和时钟相位的偏移，且通过编写代码输出的时钟无法实现时钟的倍频，因此学习Xilinx MMCM/PLL IP核的使用方法是我们学习FPGA的一个重要内容。本章我们将通过一个简单的例程来向大家介绍一下MMCM/PLL IP核的使用方法。

本章包括以下几个部分：      

11.1   MMCM/PLL IP核简介

11.2   实验任务

11.3   硬件设计

11.4   程序设计

11.5   下载验证

11.1 MMCM/PLLIP核简介

锁相环作为一种反馈控制电路，其特点是利用外部输入的参考信号控制环路内部震荡信号的频率和相位。因为锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。

Zynq UltraScale+MPSoC系列的FPGA中具有时钟管理单元CMT，XCZU4EV芯片内部有4个CMT，XCZU2EG芯片内部有3个CMT，为设备提供强大的系统时钟管理以及高速I/O通信的能力。

MMCM/PLL的参考时钟输入可以是IBUFG(CC)即具有时钟能力的IO输入、区域时钟BUFR、全局时钟BUFG、GT收发器输出时钟、行时钟BUFH以及本地布线（不推荐使用本地布线来驱动时钟资源）。在最多的情况下，MMCM/PLL的参考时钟输入都是来自IBUFG(CC)即具有时钟能力的IO输入，本实验也是如此。MMCM/PLL的输出可以驱动全局时钟BUFG和行时钟BUFH等等。BUFG能够驱动整个器件内部的PL侧通用逻辑的所有时序单元的时钟端口。BUFG/BUFH/CMT在一个时钟区域内的连接框图如下图所示。

图 11.1.2 BUFG/BUFH/CMT在一个时钟区域内的连接

在本实验中，读者可以简单地理解为：外部时钟连接到具有时钟能力的输入引脚CCIO（Clock-Capable Input），进入MMCM/PLL，产生不同频率和不同相位的时钟信号，然后驱动全局时钟资源BUFG。但是要进行更深入的FPGA开发，就必须理解器件的时钟资源架构。有关Xilinx时钟资源和CMT的更详细信息，读者后期可以花一些时间和精力去学习一下Xilinx官方的手册文档“UG572，UltraScale Architecture Clocking Resources User Guide”里的介绍。

MMCM和PLL的总体框图如下图所示。

图 11.1.3 MMCM总体框图

图 11.1.4 PLL的功能框图

其中MMCM的功能是PLL的超集，其具有比PLL更强大的相移功能。MMCM主要用于驱动器件逻辑（CLB、DSP、RAM等）的时钟。PLL主要用于为内存接口生成所需的时钟信号，但也具有与器件逻辑的连接，因此如果需要额外的功能，它们可以用作额外的时钟资源。

PLL由以下几部分组成：前置分频计数器（D计数器）、相位-频率检测器（PFD，Phase-Frequency Detector）电路，电荷泵（ChargePump）、环路滤波器（Loop Filter）、压控振荡器（VCO，Voltage Controlled Oscillator）、反馈乘法器计数器（M计数器）和后置分频计数器（O1-O6计数器）。

在工作时，PFD检测其参考频率（FREF）和反馈信号（Feedback）之间的相位差和频率差，控制电荷泵和环路滤波器将相位差转换为控制电压；VCO根据不同的控制电压产生不同的震荡频率，从而影响Feedback信号的相位和频率。在FREF和Feedback信号具有相同的相位和频率之后，就认为PLL处于锁相的状态。

在反馈路径中插入M计数器会使VCO的震荡频率是FREF信号频率的M倍，FREF信号等于输入时钟（FIN）除以预缩放计数器（D）。参考频率用以下方程描述：FREF=FIN/D，VCO输出频率为FVCO=FIN*M/D，PLL的输出频率为FOUT=（FIN*M）/（N*O）。

Xilinx提供了用于实现时钟功能的IP核Clocking Wizard，该IP核能够根据用户的时钟需求自动配置器件内部的CMT及时钟资源，以实现用户的时钟需求。在这里我们主要讲解的是如何使用该IP核，有关该IP核的更详细介绍，读者可以参阅Xilinx官方的手册文档“UG572，UltraScale Architecture Clocking Resources User Guide”。

11.2 实验任务

本节实验任务是使用DFZU2EG/4EVMPSoC开发板输出4个不同时钟频率或相位的时钟，并在Vivado中进行仿真以验证结果，最后生成比特流文件并将下载到开发板上，使用示波器来测量时钟的频率。

11.3 硬件设计

本章实验将ClockingWizard IP核产生的4个时钟200MHz、100MHz、100MHz_180deg、25MHz，连接到开发板的J19扩展口IO上，分别是第5、6、7、8号脚。扩展口原理图如下图所示：

图 11.3.1 扩展口原理图

本实验中，各端口信号的管脚分配如下表所示：

表 11.3.1 IP核之PLL实验管脚分配

对应的XDC约束语句如下所示：

1. #IO管脚约束
   
2. #时钟周期约束
   
3. create_clock -name sys_clk_p -period 10.000 [get_portssys_clk_p]
   
4. #时钟
   
5. set_property IOSTANDARD DIFF_HSTL_I_12 [get_portssys_clk_p]
   
6. set_property IOSTANDARD DIFF_HSTL_I_12 [get_portssys_clk_n]
   
7. set_property PACKAGE_PIN AE5 [get_ports sys_clk_p]
   
8. set_property PACKAGE_PIN AF5 [get_ports sys_clk_n]
   
9. #复位
   
10. set_property -dict {PACKAGE_PIN AH11 IOSTANDARD LVCMOS33}[get_ports sys_rst_n]
    
11. #按键
    
12. set_property -dict {PACKAGE_PIN D11 IOSTANDARD LVCMOS33}[get_ports clk_200m]
    
13. set_property -dict {PACKAGE_PIN D10 IOSTANDARD LVCMOS33}[get_ports clk_100m]
    
14. set_property -dict {PACKAGE_PIN E12 IOSTANDARD LVCMOS33}[get_ports clk_100m_180deg]
    
15. set_property -dict {PACKAGE_PIN E10 IOSTANDARD LVCMOS33}[get_ports clk_25m]

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11.4 程序设计

我们首先创建一个空的工程，工程名为“ip_clk_wiz”。接下来添加PLL IP核。在Vivado软件的左侧“Flow Navigator”栏中单击“IP Catalog”，“IP Catalog”按钮以及单击后弹出的“IP Catalog”窗口如下图所示。

图 11.4.1 “IP Catalog”按钮

图 11.4.2 “IP Catalog”窗口

打开“IP Catalog”窗口后，在搜索栏中输入“clock”关键字，可以看到Vivado已经自动查找出了与关键字匹配的IP核名称，如下图所示。

图 11.4.3 搜索栏中输入关键字

我们双击“FPGAFeatures and Design”→“Clocking”下的“Clocking Wizard”，弹出“Customize IP”窗口，如下图所示。

图 11.4.4 “Customize IP”窗口

接下来就是配置IP核的时钟参数。最上面的“Component Name”一栏设置该IP元件的名称，这里保持默认即可。在第一个“Clocking Options”选项卡中: “Primitive”选项用于选择是使用MMCM还是PLL来输出不同的时钟，对于我们的本次实验来说，MMCM和PLL都可以完成，这里我们可以保持默认选择MMCM。最下面的“Input Clock Information”一栏是需要修改的，把“Primary”时钟的输入频率修改开发板板载的时钟发生器差分输出的100MHz，信号源出下拉选择Differential clock capablepin选项，设置后如下图左边IPSymbot所示，

图 11.4.5 “Clocking Options”选项卡的设置

接下来切换至“OutputClocks”选项卡，在“Output Clock”选项卡中，勾选前5个时钟，并且将其“Output Freq(MHz)”分别设置为200、100、100、25，注意，第2个100MHz时钟的相移“Phase(degrees)”一栏要设置为180。其他设置保持默认即可，如下图所示。

图 11.4.6 “Output Clocks”选项卡的设置

“Port Renaming”选项卡主要是对一些控制信号的重命名。这里我们只用到了锁定指示locked信号，其名称保持默认即可，如下图所示。

图 11.4.7 “Port Renaming”选项卡的设置

“MMCM Setting”选项卡展示了对整个MMCM/PLL的最终配置参数，这些参数都是根据之前用户输入的时钟需求由Vivado来自动配置，Vivado已经对参数进行了最优的配置，在绝大多数情况下都不需要用户对它们进行更改，也不建议更改，所以这一步保持默认即可，如下图所示。

图 11.4.8 “MMCM Setting”选项卡的设置

最后的“Summary”选项卡是对前面所有配置的一个总结，在这里我们直接点击“OK”按钮即可，如下图所示。

图 11.4.9 “Summary”选项卡

接着就弹出了“GenarateOutput Products”窗口，我们直接点击“Generate”即可，如下图所示。

图 11.4.10 “Genarate Output Products”窗口

之后我们就可以在“DesignRun”窗口的“Out-of-Context Module Runs”一栏中出现了该IP核对应的run“clk_wiz_0_synth_1”，其综合过程独立于顶层设计的综合，所以在我们可以看到其正在综合，如下图所示。

图 11.4.11 “clk_wiz_0_synth_1”run

在其Out-of-Context综合的过程中，我们就可以开始编写代码了。首先打开IP核的例化模板，在“Source”窗口中的“IP Sources”选项卡中，依次用鼠标单击展开“IP”-“clk_wiz_0”-“Instantitation Template”，我们可以看到“clk_wiz.veo”文件，它是由IP核自动生成的只读的verilog例化模板文件，双击就可以打开它，在例化时钟IP核模块的时钟，可以直接从这里拷贝，如下图所示。

图 11.4.12 “clk_wiz.veo”文件

我们接下来创建一个verilog源文件，其名称为ip_clk_wiz.v，代码如下：

1. 1 module  ip_clk_wiz(
   
2. 2      input              sys_clk_p ,       //系统差分输入时钟
   
3. 3      input              sys_clk_n ,       //系统差分输入时钟
   
4. 4      input              sys_rst_n      ,  //系统复位，低电平有效
   
5. 5      //输出时钟
   
6. 6      output             clk_200m       ,  //200Mhz时钟频率
   
7. 7      output             clk_100m,         //100Mhz时钟频率
   
8. 8      output             clk_100m_180deg , //100Mhz时钟频率,相位偏移180度
   
9. 9      output             clk_25m           //25Mhz时钟频率
   
10. 10     );
    
11. 11
    
12. 12 //wire define
    
13. 13 wire        locked;
    
14. 14
    
15. 15 //*****************************************************
    
16. 16 //**                   main code
    
17. 17 //*****************************************************
    
18. 18
    
19. 19 //MMCM/PLL IP核的例化
    
20. 20 clk_wiz_0 u_clk_wiz_0
    
21. 21   (
    
22. 22     //Clock out ports
    
23. 23     .clk_200m           (clk_200m),            // output clk_200m
    
24. 24     .clk_100m           (clk_100m),            // output clk_100m
    
25. 25     .clk_100m_180deg    (clk_100m_180deg),     // output clk_100m_180deg
    
26. 26     .clk_25m            (clk_25m),             // output clk_25m
    
27. 27     //Status and control signals
    
28. 28     .reset              (~sys_rst_n),          // input reset
    
29. 29     .locked             (locked),              // output locked
    
30. 30     //Clock in ports
    
31. 31     .clk_in1_p          (sys_clk_p),          // input clk_in1_p
    
32. 32     .clk_in1_n          (sys_clk_n));         // input clk_in1_n
    
33. 33
    
34. 34 endmodule

复制代码

程序中例化了clk_wiz_0，把FPGA的系统差分输入时钟100Mhz连接到clk_wiz_0的clk_in1_p与clk_in1_n，系统复位信号连接到clk_wiz_0的reset，由于时钟IP核默认是高电平复位，而输入的系统复位信号sys_rst_n是低电平复位，因此要对系统复位信号进行取反。clk_wiz_0输出的4个时钟信号直接连接到顶层端口的四个时钟输出信号。

我们接下来先对代码进行仿真，TestBench代码如下：

1. 1 module tb_ip_clk();
   
2. 2
   
3. 3 reg     sys_clk_p;
   
4. 4 reg     sys_clk_n;
   
5. 5 reg     sys_rst_n;
   
6. 6
   
7. 7 wire    clk_200m;      
   
8. 8 wire    clk_100m;
   
9. 9 wire    clk_100m_180deg;     
   
10. 10 wire    clk_25m;   
    
11. 11      
    
12. 12
    
13. 13 always #5 sys_clk_p = ~sys_clk_p;
    
14. 14 always #5 sys_clk_n = ~sys_clk_n;
    
15. 15
    
16. 16 initial begin
    
17. 17     sys_clk_p = 1'b0;
    
18. 18     sys_clk_n = 1'b1;
    
19. 19     sys_rst_n = 1'b0;
    
20. 20     #200
    
21. 21     sys_rst_n = 1'b1;
    
22. 22 end
    
23. 23
    
24. 24 ip_clk_wiz u_ip_clk_wiz(
    
25. 25     .sys_clk_p        (sys_clk_p       ),
    
26. 26     .sys_clk_n        (sys_clk_n       ),
    
27. 27     .sys_rst_n        (sys_rst_n       ),
    
28. 28
    
29. 29     .clk_200m         (clk_200m        ),
    
30. 30     .clk_100m         (clk_100m        ),
    
31. 31     .clk_100m_180deg  (clk_100m_180deg ),
    
32. 32     .clk_25m          (clk_25m         )  
    
33. 33     );
    
34. 34
    
35. 35 endmodule

复制代码

对模块进行仿真的方法这里不再赘述，仿真后得到的波形如下图所：

图 11.4.13 Vivado仿真波形

由上图可知，locked信号拉高之后，锁相环开始输出4个稳定的时钟。clk_200m周期为5ns，时钟频率为200Mhz；clk_100m和clk_100m_180deg周期都为10ns，即时钟频率都为100Mhz，但两个时钟相位偏移180度，所以这两个时钟刚好反相；clk_25m周期为40ns，时钟频率为25Mhz。也就是说，我们创建的锁相环从仿真结果上来看是正确的。

11.5 下载验证

编译工程并生成比特流.bit文件后，此时把将下载器一端连接电脑，另一端与开发板上的JTAG下载口连接，然后连接电源线，最后将开发板的电源拨码开关按键往电源指示灯的方向拨动对开发板进行上电，上电成功后开发板的电源指示灯会亮蓝灯。

点击Vivado左侧“Flow Navigator”窗口最下面的“Open Hardware Manager”，如果此时Vivado软件识别到下载器，则点击“Hardware”窗口中“Progam Device”下载程序，在弹出的界面中选择“Program”下载程序。

程序下载完成后，接下来我们使用示波器测量开发板J19扩展口的第5、6、7、8号脚。示波器测试依次为D11（200MHz）、D10（100MHz）、E12（100MHz_180）、E10（25MHz）。如下图所示：

图 11.5.1 示波器测量引脚

此时在示波器上就可以观察到时钟的波形图。下图为使用示波器测量扩展口第8号脚（E10）所显示的波形。

图 11.5.2 扩展口E10脚（25MHz）输出的波形

由上图可知，示波器测量出的时钟频率为25Mhz，跟仿真结果是一样的，其它四个扩展口输出的时钟大家可以测试一下，这里不再贴出其它扩展口的波形图。