Vivado下PLL实验

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前言

本节介绍一下赛灵思锁相环的一个使用方法，我手头的 AC7020 fpga 开发板上面有一个 50MHz 的晶振连接在 PL 端，晶振输出链接到 FPGA 的全局时钟（MRCC），这个 CLK 可以用来驱动 FPGA 内的用户逻辑电路，该时钟源的原理图如图所示：

但是在我们实际应用当中呢我们可能想要使用特定大小的频率，比如 25MHz 或者 100MHz，那么我们可以使用赛灵思的锁相环的 IP 实现它的时钟分频或者倍频。

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一、CMT（时钟管理单元）

1、CMT 简介

Xilinx7 系列器件中的时钟资源包含了CMT（全称 Clock Management Tile，即时钟管理单元），每个 CMT 由一个 MMCM（全称 Mixed-Mode Clock Manager，即混合模式时钟管理）和一个 PLL（全称 Phase Locked Loop，即锁相环）组成，

• MMCM（混合模式时钟管理）：是基于 PLL 的新型混合模式时钟管理器，实现了最低的抖动和抖动滤波，为高性能的 FPGA 设计提供更高性能的时钟管理功能。
  • MMCM 在 PLL 的基础上加上了相位动态调整功能，
• PLL：为锁相回路或锁相环，用来统一整合时钟信号，使高频器件正常工作，如内存的存取数据 等。PLL 用于振荡器中的反馈技术。
  • 锁相环拥有强大的性能，可以对输入到 FPGA 的时钟信号进行任意分频、倍频、相位调整、占空比调整，从而输出一个期望时钟；

MMCM 相对 PLL 的优势就是相位可以动态调整，但 PLL 占用的面积更小，而在大部分的设计当中大家使用 MMCM 或者 PLL 来对系统时钟进行分频、倍频和相位偏移都是完全可以的。

2、FPGA CMT 框图

下图为 7 系列 FPGA CMT 的一个简单的结构，最左边是输入的一些时钟源，最右边是输出。

3、MMCM 框图

下图是 MMCM 的框图，可以看到它包含 8 个相位的拍 + 1 个可变相位拍

4、PLL 框图

下图是 PLL 的框图，可以看到它只包含 8 个相位的拍

二、创建工程

1、创建工程

创建一个名字为 pll_test 的工程

2、PLL IP 核配置

1、点击 IP Catalog，搜索 clock，找到 Clocking Wizard 并双击

2、在 Clocking Option 下按如下图进行配置

• Primitive 选择 PLL
• Input Clock Information 中的主时钟的输入频率填上我们板子晶振频率：50MHz
  

3、在 Output Clocks 下按如下图进行配置，并点击 OK
我们输出 200MHz、100MHz、50MHz、25MHz 这么四路不同频率的时钟

4、点击生成 Generate

3、进行例化

1、创建一个名为 pll_test.v 文件

2、复制例化模板到我们刚创建的 pll_test.v 文件中

3、对 pll_test.v 文件进行修改，修改之后的代码如下（这里我们只输出 25MHz 信号）

`timescale 1ns / 1ps

module pll_test(
    input sys_clk,  // 50MHz
    input rst_n,
    output clk_out
    );

wire pll_locked;    
    
    
clk_wiz_0 clk_inst
 (
  // Clock out ports
  .clk_out1(),     // output clk_out1
  .clk_out2(),     // output clk_out2
  .clk_out3(),     // output clk_out3
  .clk_out4(clk_out),     // output clk_out4
  // Status and control signals
  .reset(~rst_n), // input reset
  .locked(pll_locked),       // output locked
 // Clock in ports
  .clk_in1(sys_clk));      // input clk_in1  
    
endmodule

三、进行仿真

1、创建仿真文件

创建名为 vtf_pll_test.v 的仿真文件，并进行例化编写 verilog 仿真程序

`timescale 1ns / 1ps

module vtf_pll_test;

reg sys_clk;
reg rst_n;
wire clk_out;

pll_test pll_inst(
    .sys_clk    (sys_clk),  // 50MHz
    .rst_n      (rst_n),
    .clk_out    (clk_out)
    );

initial 
begin
    sys_clk = 1'b0;
    rst_n = 1'b0;   // 对于按键来说我们进行的是低电平的一个复位
    # 100 rst_n = 1'b1;
end

always #10 sys_clk = ~sys_clk;  // 10ns 时钟翻转产生 25MHz 时钟

endmodule

2、进行仿真设置

①、右键 Run Simulation -> Simulation Settings…

②、设置仿真时间，这里填 200us 即可

3、进行行为级仿真

①、左键 Run Simulation -> Run Behavioral Simulation

②、将 vtf_pll_test 下的 pll_inst 下的 clk_inst 的 clk_out1、clk_out2、clk_out3、clk_out_4、reset、locked 拖拽到仿真界面 Name 栏下

③、点击 Run for 10us，可以看下图结果

四、硬件验证

1、引脚绑定

1、点击 “Open Elaborated Design”，再打开 Window 下的 I/O Ports

2、查看原理图
①、T11 -> rst_n，T0 -> clk_out

②、U18 -> sys_clk

③、因此分配情况如下：

④、进行保存

⑤、生成的 pll.xdc 文件如下图：

2、生成比特流文件

①、点击 “Generate Bitstream”，直接生成 bit 文件

出现了如下报错：

[Place 30-172] Sub-optimal placement for a clock-capable IO pin and PLL pair. If this sub optimal condition is acceptable for this design, you may use the CLOCK_DEDICATED_ROUTE constraint in the .xdc file to demote this message to a WARNING. However, the use of this override is highly discouraged. These examples can be used directly in the .xdc file to override this clock rule.
< set_property CLOCK_DEDICATED_ROUTE FALSE [get_nets clk_inst/inst/clk_in1_clk_wiz_0] >

clk_inst/inst/clkin1_ibufg (IBUF.O) is locked to IOB_X0Y15
 clk_inst/inst/plle2_adv_inst (PLLE2_ADV.CLKIN1) is provisionally placed by clockplacer on PLLE2_ADV_X0Y0

The above error could possibly be related to other connected instances. Following is a list of 
all the related clock rules and their respective instances.

Clock Rule: rule_pll_bufg
Status: PASS 
Rule Description: A PLL driving a BUFG must be placed on the same half side (top/bottom) of the device
 clk_inst/inst/plle2_adv_inst (PLLE2_ADV.CLKFBOUT) is provisionally placed by clockplacer on PLLE2_ADV_X0Y0
 and clk_inst/inst/clkf_buf (BUFG.I) is provisionally placed by clockplacer on BUFGCTRL_X0Y5

把这条提示加入 XDC 约束文件里面即可，原理就是绕过 PAR 的检查。

set_property CLOCK_DEDICATED_ROUTE FALSE [get_nets clk_inst/inst/clk_in1_clk_wiz_0]

②、选择 Open Hardware Manager 并点击 OK

③、插上 fpga 仿真器及其电源，选择 Auto Connect

④、右键 xc7z020_1 -> Program Device

3、验证

找一个示波器用探头接到 T10 引脚查看输出，可以看到 25MHz 方波信号

五、资源自取

基于vivado 2017.4 的 pll 测试

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