ZYNQ——锁相环(PLL)实验

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一、介绍

ZYNQ开发板上只有一个50MHz的时钟输入，如果要用到其他频率的时钟，就需要通过FPGA芯片内部集成的PLL(Phase Locked Loop，锁相环)来分频或者倍频实现。
一个复杂的系统往往需要多个不同频率、不同相位的时钟信号，所以FPGA芯片中的PLL的数量也是衡量FPGA芯片性能的重要指标。在FPGA的设计中，时钟系统的FPGA高速的设计相当重要，一个低抖动、低延迟的系统时钟会增加FPGA设计的成功率。
本实验通过添加时钟 IP 核实现分频和倍频。

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二、添加时钟 IP

打开 IP Catalog，搜索 Clocking 找到 Clocking Wizard 双击打开。

打开后弹出下面对话框，选择PLL，输入时钟设为 50MHz。

MMCM（Mixed Mode Clock Manager）是混合模式时钟管理器，用于在与给定输入时钟有设定的相位和频率关系的情况，以生成不同的时钟信号。
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。
然后在输出时钟子页面下设置四个输出频率。

设置完成后点击OK，弹出下面窗口，点击生成即可完成时钟 IP 核的添加。

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三、设计源代码

在IP Sources下找到上面添加时钟IP核的.veo文件，双击打开如下图。

将其中的例化代码复制，新建一个设计源文件，粘贴到里面，最终的代码如下。

module pll(
    input clk,
    input rst,
    output clk_out1,
    output clk_out2,
    output clk_out3,
    output clk_out4
);

wire locked;

clk_wiz_0 clk_wiz_0_inst
   (
    // Clock out ports
    .clk_out1(clk_out1),     // output 200MHz
    .clk_out2(clk_out2),     // output 100MHz
    .clk_out3(clk_out3),     // output 50MHz
    .clk_out4(clk_out4),     // output 25MHz
    // Status and control signals
    .reset(~rst), // input reset
    .locked(locked),       // output locked
   // Clock in ports
    .clk_in1(clk));      // input 50MHz

endmodule

这里需要注意的是，PLL的复位是高电平有效，如果后续需要在开发板上通过按键来复位，由于按键是低电平有效的，因此上述代码中的复位信号需要反向。

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四、仿真测试

本例中的仿真测试源代码如下。

`timescale 1ns / 1ps
module sim_pll();
reg clk;
reg rst;
wire clk_out1;
wire clk_out2;
wire clk_out3;
wire clk_out4;

initial
begin
    clk = 0;
    rst = 1; //PLL复位高电平有效，代码中有取反，所以这里设置为1
end

always #10 clk = ~clk;

pll uut_pll(
    .clk(clk),
    .rst(rst),
    .clk_out1(clk_out1),
    .clk_out2(clk_out2),
    .clk_out3(clk_out3),
    .clk_out4(clk_out4)
);
endmodule

仿真输出结果如下图所示。

代码中的时钟是20ns一个周期，所以频率就是50MHz。通过上面的输出结果可以看到，clk_out1的频率是输入时钟频率的4倍，即200MHz，同理，clk_out2的频率是输入时钟频率的2倍，也就是100MHz，clk_out3与输入同频率，即50MHz，clk_out4的频率是输入时钟频率的0.5倍，即25MHz。
在 PLL 中改变一下时钟3和时钟4的相位，如下图。

修改相位后的仿真输出结果如下图所示。

再与上面相位未做变化时做比较，可以明显看到时钟3和输入时钟反向，即相移180°，时钟四相较于输入时钟相移90°。
因此，通过上述仿真可以直到，通过PLL可以生成多个不同频率、不同相位的时钟信号。

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五、添加 ILA IP

这里添加五个探针，都是一位的，用于观察输出的信号。

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六、分配引脚

用上面的代码在板上验证时需要示波器测量，我这里通过添加ILA分析输出的结果，编写的代码如下。

module pll(
    input clk,
    input rst,
    output clk_out1,
    output clk_out2,
    output clk_out3,
    output clk_out4
);

reg in,out1,out2,out3,out4;
wire locked;
initial
begin
in = 1;
out1 = 1;
out2 = 1;
out3 = 1;
out4 = 1;
end

always@(posedge clk or negedge rst)
begin
if(!rst)
    in = 0;
else
    in = ~in;
end

clk_wiz_0 clk_wiz_0_inst
   (
    // Clock out ports
    .clk_out1(clk_out1),     // output 200MHz
    .clk_out2(clk_out2),     // output 100MHz
    .clk_out3(clk_out3),     // output 50MHz
    .clk_out4(clk_out4),     // output 25MHz
    // Status and control signals
    .reset(~rst), // input reset
    .locked(locked),       // output locked
   // Clock in ports
    .clk_in1(clk));      // input 50MHz

always@(posedge clk_out1)
begin
if(!rst)
    out1 = 0;
else
    out1 = ~out1;
end

always@(posedge clk_out2)
begin
if(!rst)
    out2 = 0;
else
    out2 = ~out2;
end

always@(posedge clk_out3)
begin
if(!rst)
    out3 = 0;
else
    out3 = ~out3;
end

always@(posedge clk_out4)
begin
if(!rst)
    out4 = 0;
else
    out4 = ~out4;
end

ila_0 ila_inst (
	.clk(clk), 

	.probe0(in),
	.probe1(out1),
	.probe2(out2),
	.probe3(out3),
	.probe4(out4)
);

endmodule

给代码中的各端口分配引脚如下图。

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七、板上验证

生成比特流并将其下载到ZYNQ开发板上进行验证。

在集成逻辑分析仪窗口查看输出结果如下图。

上面这张图是输入为50MHz的情况，out1(200MHz)和out2(100MHz)没有正确的显示。

根据代码中编写的，in信号代表的是输入时钟(in信号是实际时钟频率的二分频，不过不影响和后续频率的比较，因为输出信号都是在此机制下产生的，因此倍数关系不会变)，我改为了200MHz，因为50MHz在板上验证的时候，发现倍频输出的两个频率100MHz和200MHz不能正确的输出，而分频可以正常输出，所以我就改为了200MHz，只看分频的结果。
可以看到，输出out1与输入in信号同频；输出out2是输入in信号的二分频；输出out3是输入in信号的四分频；输出out4是输入in信号的八分频。这与我在PLL中预设的是一致的，但是仔细观察上面的两个图发现，输入为50MHz和200MHz时，in信号的波形是一致的，所以通过ILA这种方式查看输出不太准确。

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八、示波器输出

本来想通过ILA验证一下输出结果就行了，但是又出现了一系列的问题，所以还是决定在示波器中测量一下相关引脚的频率。
输入还是设置为50MHz，输出时钟设置如下。

在Vivado中生成比特流文件，将其下载到开发板，然后根据引脚的分配测量相关引脚的频率。
示波器中200MHz引脚的输出如下图所示。

示波器中100MHz引脚的输出如下图所示。

示波器中50MHz引脚的输出如下图所示。

示波器中25MHz引脚的输出如下图所示。

通过上面各图的结果可知，频率能够按照代码中设置的那样进行输出。不过输出的波形不太像方波，反而更像正弦波，这是因为示波器带宽不太够，可以参考文章示波器的带宽，一般示波器带宽是所测信号频率的5倍时，方波就比较明显了，上面的四张图随着频率的减小，波形也越接近正弦波。不过波形不是我们这里关心的重点，频率输出是正确的。

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九、问题汇总

这个实验在仿真的过程中很顺利，基本没碰到什么问题，但在板上验证时遇到了一些麻烦，现列出如下。
1、运行时报错了，如下图所示。

报错信息如下。

[DRC REQP-1712] Input clock driver: Unsupported PLLE2_ADV connectivity. The signal clk_wiz_0_inst/inst/clk_in1 on the clk_wiz_0_inst/inst/plle2_adv_inst/CLKIN1 pin of clk_wiz_0_inst/inst/plle2_adv_inst with COMPENSATION mode ZHOLD must be driven by a clock capable IO.

解决办法：回到PLL IP核这里，将Source改为Global buffer。

2、输入时钟频率直接通过探针无法观看，输出是一条线，因此，我在代码里引入了reg变量，通过时钟的上升沿让值反转来表示该频率，实际的频率应当是该种表示方法表示下的二倍，不过这里只是验证一下各输出频率与输入频率的关系，因此，这个差异不影响最终的结果判定。
3、在板上验证时发现倍频的波形输出不正确而分频正确，也不知道是什么原因造成的，我这里直接将输入频率改为最大，只验证了分频的正确性。
4、还有一个不算是问题吧，就是一个简单的操作，默认的引脚分配窗口打开就是下图所示的这样。

可以看到 Name 这一列是空的，在分配引脚时端口对应代码中的哪个端口虽然可以通过 I/O Ports Properties 得知，但总是觉得哪里不太对劲。是的，确实不太对劲，你用鼠标把 Name 对应的这一列往宽拉一点就发现“新大陆”了！

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以上就是ZYNQ——锁相环(PLL)实验的全部内容了，自己总是会在实验中碰到这样那样奇怪的问题，发现问题和寻找解决办法的过程虽然有点痛苦，甚至有点绝望，但是这些都是必经之路！
参考资料：
ZYNQ 开发平台 FPGA 教程 AX7020