【Vivado】clock ip核的使用

1、绪论

Clock在时序逻辑的设计中是不可或缺的，同时对于Clock的编写和优化也能体现一个FPGA工程师的技术水平，Clock的分频，倍频在设计项目时都有可能用到，对于分频，可以通过代码的方式进行实现，而倍频，就要用到我们今天的主角——Clock IP核。熟练使用Clock IP核是学习FPGA的基础，需要熟练掌握。

2、简介

专业词汇解释：

PLL(Phase Locked Loop) ：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，如内存的存取资料等。PLL用于振荡器中的反馈技术。许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步。一般的晶振由于工艺与成本原因，做不到很高的频率，而在需要高频应用时，由相应的器件VCO，实现转成高频，但并不稳定，故利用锁相环路就可以实现稳定且高频的时钟信号。其具有时钟倍频、分频、相位偏移和可编程占空比的功能。

CMT(Clock Management Tile)：时钟管理器，包含了DCM/PLL/DCM等。

MMCM(Mixed Mode Clock Manager)：混合模式时钟管理器， MMCM 功能是 PLL 的超集 ,在PLL的基础上加上了相位动态调整功能，因为PLL是模块电路，而动态调相是数字电路，所以叫Mixed Mode。MMCM是在Virtex-6中被引入的，而且Virtex-6中也只有MMCM。

DCM：在较早的FPGA中使用，比如Sparten-3和Virtex-4，后面的器件不再使用了。在Virtex-4中，CMT包括一个PLL和两个DCM。DCM的核心是DLL，即Delay Locked Loop，它是一个数字模块，可以产生不同相位的时钟、分频、倍频、相位动态调整等，但精度有限。

*笔者在使用Xilinx Spartan_6系列的fpga时的CMT是由DCM与PLL组成，而目前Xilinx 7 系列器件中的每个CMT由一个MMCM和一个PLL组成。

Xilinx 7 系列器件中具有时钟管理单元 CMT 时钟资源， xc7a100t 芯片内部有 6 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。时钟管理单元 CMT 的总体框图如下图所示：

前面已经介绍了在Xilinx 7系列的芯片中，一个CMT由一个MMCM和一个PLL组成。下面对MMCM和PLL进行对比：

由两张图我们可以直观看到MMCM和PLL的组成结构基本相同。
MMCM（ Mixed-Mode Clock Manager）混合模式时钟管理器， MMCM 功能是 PLL 的超集，它是在 PLL的基础上加了相位动态调整功能， PLL 是模拟的，而动态调相是数字电路，所以称为混合模式。其相对于 PLL 的优势是相位可以动态调整，占用面积较大。 MMCM 主要用于驱动器件逻辑（ CLB、 DSP、 RAM 等）的时钟。 PLL 是和 IO 资源紧密绑定的，占用面积小，常用于为内存接口生成所需的时钟信号，但也具有与其他器件逻辑的连接，因此如果需要额外的功能，它们可以用作额外的时钟资源。

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，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，可以参阅 Xilinx 官方的手册文档“PG065， Clocking Wizard v5.2 LogiCORE IP Product Guide”（点击跳转）。

3、实验目的

开发平台：vivado2020.1

开发板：Xilinx Artix-7 xc7a100tfgg676-2

目的：使用开发板输出 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

4、程序设计

1、先建立一个ip_clock的工程

2、创建clock ip核，在 Vivado 软件的左侧“Flow Navigator”栏中单击“IP Catalog”，

然后在下图中搜索“clock”，如下图所示，双击“ Clocking Wizard ”后弹出 IP 核的配置界面。

3、配置 IP 核

接下来切换至“ Output Clocks”选项卡，在“ Output Clock”选项卡中，勾选前 4 个时钟，并且将其“ Output Freq(MHz)”分别设置为 100、 100、 50、 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：

“ 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：

“ 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：

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:

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

等待一会儿，窗口可以看见生成的IP核，此处介绍如何查看ip核的源文件和模板文件。如下图所示，点击此处>可查看源文件。

然后点击下方"IP Sources" ,如图所示，便是模板文件。

模板文件里有例化 IP 核的模板，如下所示：

 clk_wiz_0 instance_name(// Clock out ports.clk_out1(clk_out1),     // output clk_out1.clk_out2(clk_out2),     // output clk_out2.clk_out3(clk_out3),     // output clk_out3.clk_out4(clk_out4),     // output clk_out4// Status and control signals.resetn(resetn), // input resetn.locked(locked),       // output locked// Clock in ports.clk_in1(clk_in1));      // input clk_in1

4、编写程序

接下来创建一个新的设计文件，命名为clk_wiz.v，代码如下：

module clk_wiz(input  sys_clk,input  sys_rst_n,output clk_out1,output clk_out2,output clk_out3,output clk_out4,output locked);clk_wiz_0 instance_name(// Clock out ports.clk_out1(clk_out1),     // output clk_out1.clk_out2(clk_out2),     // output clk_out2.clk_out3(clk_out3),     // output clk_out3.clk_out4(clk_out4),     // output clk_out4// Status and control signals.resetn(sys_rst_n), // input resetn.locked(locked),       // output locked// Clock in ports.clk_in1(sys_clk));      // input clk_in1endmodule

它将 IP 核例化后，加上了输入输出，其原理图如下：

5、仿真测试

设计完成之后，需要进行仿真，查看结果是否符合预取，创建一个“tb_clk_wiz.v”的仿真文件，仿真代码编写如下：

`timescale 1ns / 1psmodule tb_clk_wiz();
reg  sys_clk;
reg  sys_rst_n;wire clk_out1;
wire clk_out2;
wire clk_out3;
wire clk_out4;
wire locked;clk_wiz clk_wiz_inst(.sys_clk(sys_clk),.sys_rst_n(sys_rst_n),.clk_out1(clk_out1),.clk_out2(clk_out2),.clk_out3(clk_out3),.clk_out4(clk_out4),.locked(locked)
);initial begin sys_clk = 1'b0;sys_rst_n = 1'b0;#200sys_rst_n = 1'b1;endalways #10 sys_clk = ~sys_clk;endmodule

仿真结果如下图所示,结果符合预期。