FPGA例程（5）：时钟（clock）分频倍频（PLL/MMCM）实验--vivado行为级仿真、综合后仿真和实现后仿真说明

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本专栏主要针对与想学习FPGA的同学，从基础的点灯到之后的复杂功能实战例程，从入门到进阶，通过这些例程的学习和了解，希望可以帮助你从一个FPGA小白进阶到FPGA中级阶段，能够处理工作中大多数的FPGA使用场景。

本篇是该系列的第五篇内容

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1 引言

很多初学者会遇到一个问题，我们硬件的输入时钟只有100MHz，但是我们内部需要使用200MHz或者50MHz这样的时钟，我们该怎么办呢？其实在FPGA内部集成了PLL或者MMCM，不同的厂商叫法可能不同，但是功能类似，通过PLL（MMCM）可以分频和倍频，产生很多其它的时钟，本实现通过调用xilinx的clock wizard的IP核来学习PLL（MMCM）的使用方法。

2 硬件环境

开发环境使用vivado2019.1

开发板使用米联客的MK7160FA

3 实验原理

PLL，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。

7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。如下同所示，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

3.1 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：

3.2 数字锁相环PLL

锁相环主要用于频率综合。使用一个PLL可以从一个输入时钟信号生成多个时钟信号。PLL内部的功能框图如下图所示：

4 建立工程

按照FPGA例程（1）：LED流水灯实验--vivado工程创建、编译及下载bit_vivado创建例程-CSDN博客

中的步骤，创建一个名为PLL_test的工程。

点击IP Catalog-->选择Clocking Wizard

clocking Wizard的具体说明详见：FPGA基础知识（十五）：Xilinx Clocking Wizard IP核完全指南--从基础到高级应用-CSDN博客

我们的输入时钟为100MHz，我们内部需要使用200MHz和50MHz的时钟

其它参数的配置详见：FPGA基础知识（十五）：Xilinx Clocking Wizard IP核完全指南--从基础到高级应用-CSDN博客

我们点击OK-->Generate生成IP核

生成的IP核如下，展开可以看到IP核的TOP层，之后我们在工程中就例化的是这个TOP层。

我们新建一个PLL_test.v文件，例化module clk_wiz_0

大家注意到，程序的最后有一段产生clk_div的程序，即将100MHz进行2分频产生50MHz，故clk_div的频率与clk_50M是一样的，只是生成的方式不同，方便大家看一下这两种方式的区别。

复制代码

module PLL_test(
input sys_clk,  //100MHz
output clk_200M,
output clk_50M,
output clk_div
);

parameter RST_DELAY = 8'd128;
reg [7:0] rst_cnt;
always @(posedge sys_clk) begin
    if(rst_cnt < RST_DELAY)begin 
        rst_cnt <= rst_cnt + 1'd1;
    end else if(rst_cnt == RST_DELAY) begin 
        rst_cnt <= rst_cnt; 
    end else begin 
        rst_cnt <=0;
    end
end
reg rst_n;
always @(posedge sys_clk) begin
    if(rst_cnt == RST_DELAY) begin 
        rst_n <= 1;
    end else begin 
        rst_n <= 0;
    end
end
//----------------------------------------------------
wire sys_rstn;
//wire clk_200M;
//wire clk_50M;
clk_wiz_0 clk_wiz_0(
.clk_200M(clk_200M),
.clk_50M(clk_50M),
.resetn(rst_n),
.locked(sys_rstn),
.clk_in1(sys_clk)
);
//-----------------------------------------------------
reg clk_div_c;
//wire clk_div;
always @(posedge sys_clk or negedge rst_n ) begin
if (!rst_n) begin
    clk_div_c <= 1'b0;
end
else begin
    clk_div_c <= ~clk_div_c;
end
end
BUFG BUFG_inst (
.O(clk_div), // 1-bit output: Clock output
.I(clk_div_c)  // 1-bit input: Clock input
);
endmodule

按照FPGA例程（1）：LED流水灯实验--vivado工程创建、编译及下载bit_vivado创建例程-CSDN博客

中的步骤，添加我们的约束文件，如下：

复制代码

## ----------- clock -----------------------
create_clock -period 10.000 -name sys_clk [get_ports sys_clk]
set_property PACKAGE_PIN AA3 [get_ports sys_clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS15 [get_ports sys_clk]
## ------------ led pin -----------------------------
set_property PACKAGE_PIN G14 [get_ports {clk_200M}]
set_property PACKAGE_PIN H14 [get_ports {clk_50M}]
set_property PACKAGE_PIN J10 [get_ports {clk_div}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {clk_200M}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {clk_50M}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {clk_div}]

## ========================== SPI X4 =================================
set_property CFGBVS VCCO [current_design]
set_property CONFIG_VOLTAGE 3.3 [current_design]
set_property BITSTREAM.GENERAL.COMPRESS true [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.CONFIGRATE 50 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_BUSWIDTH 4 [current_design]
set_property BITSTREAM.CONFIG.SPI_FALL_EDGE Yes [current_design]

5 程序仿真

我们点击Add Sources-->选择Add or create simulation sources添加以下仿真激励文件。

如果我们有现成的文件，选择Add Files，选择文件路径即可

这里我们没有现成的，就点击Create File--->输入仿真激励文件名称--->OK---->Finish

就会在Simulation Sources下面产生以下tb_PLL_test.v的文件，我们开始编写测试激励：

输入时钟是100MHz，对应周期为10ns，故5ns我们执行一次反转

复制代码

module tb_PLL_test();
reg sys_clk;
initial begin
    sys_clk = 0;
end
always begin
    #5 sys_clk = ~sys_clk;
end

wire clk_200M,clk_50M,clk_div;
PLL_test DUT(
.sys_clk(sys_clk),  //100MHz
.clk_200M(clk_200M),
.clk_50M(clk_50M),
.clk_div(clk_div)
);
endmodule