FPGA原理与结构（16）——时钟IP核的使用与测试

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一、前言

    本文介绍xilinx的时钟IP核 Clocking Wizard v6.0的具体使用与测试过程，在学习一个IP核的使用之前，首先需要对于IP核的具体参数和原理有一个基本的了解，具体可以参考：

FPGA原理与结构——时钟IP核原理学习https://blog.csdn.net/apple_53311083/article/details/132497850

二、时钟 IP核定制

1、 Clocking Wizard IP核

step1 打开vivado工程，点击左侧栏中的IP Catalog

step2 在搜索栏搜索clock,找到Clocking Wizard IP核

2、 IP核定制

step3 Clocking Options 界面定制

① Component Name” :用于设置该IP 核的名称

② “Clock Monitor” :用来监控时钟是否停止、故障和频率变化。一般不用；

③ “Primitive” :用于选择是使用MMCM 还是PLL 来完成时钟需求，一般来说，MMCM 和PLL 都可以完成，这里保持默认选择MMCM。

④ “Clocking Features” :

• Frequency Synthesis : 表示频率综合，只有勾上才能修改想要的时钟频率。
• Phase Alignment : 相位对齐，勾选后输出时钟与输入时钟的相位是一致的
• Dynamic Reconfig : 可以通过AXI接口对时钟IP核进行动态配置，这里不适用
• Safe Clock Startup : 安全启动，在时钟稳定之前不会有输出
• Minimize Power ：最小化功率，缺点是可能会影响性能
• Spread Specturm : 频谱扩展
• Dynamic Phase Shift : 动态可调相位

"Jitter Optimization " :

• Balanced : 平衡模式（默认选项），性能和功耗处于平衡状态
• Minimize Output Jitter : 输出时钟抖动最小化模式，功耗会增大，相位可能恶化
• Maximize Input Jitter filtering : 最大化输入时钟过滤，适用于输入时钟的抖动较大的情况，但是可能会导致输出时钟的抖动过大

⑤ “Input Clock Information”:选项中，把“Primary”时钟的输入频率修改为开发板的核心板上的晶振频率，source根据时钟源类型选择，单端时钟或者差分时钟，这里我们进行的是仿真测试，设置的输入时钟频率为100MHZ 。

step4 Output Clocks 界面定制

① ： 这里我们就可以设置我们所需要的输出时钟频率和相位了，这里我们设置了4个输出时钟，clk_out1_100m：100MHZ时钟，clk_out2_100m_180：100MHZ时钟，与clk_out1_100m不同的是，其有着180°的相位差，clk_out3_50m:50MHZ时钟，clk_out3_25m:25MHZ时钟。

② ： 勾选不同信号的输出顺序，使用的前提是要在之前的界面勾选上Safe Clock Startup，这里就不适用

③ ：Clocking Feedback ：时钟反馈，只有在之前的界面勾选了Phase Alignment才可以使用

④ ： 一些额外的引脚可选项，这里着重介绍一下locked ：置位时表示PLL输出信号有效，平常使用PLL一定要等该信号有效

step5 Port Renaming 界面定制

    输出端口信号重命名，一般不用修改。

step6 MMCM Settings 界面定制

    “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 来自动配置的，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。 

step7 Summary

    最后的“Summary”选项卡是对前面所有配置的一个总结，在这里直接点击“OK”按钮即可。

3、IP核测试

    首先编写顶层文件，完成对于IP核的例化

module clk_top(
    input sys_clk,
    input rst,
    
    output clk_100m,
    output clk_100m_180,
    output clk_50m,
    output clk_25m,
    output locked);

  clk_gen clk_gen_u1
   (
    // Clock out ports
    .clk_out1_100m(clk_100m),     // output clk_out1_100m
    .clk_out2_100m_180(clk_100m_180),     // output clk_out2_100m_180
    .clk_out3_50m(clk_50m),     // output clk_out3_50m
    .clk_out4_25m(clk_25m),     // output clk_out4_25m
    // Status and control signals
    .reset(rst), // input reset
    .locked(locked),       // output locked
   // Clock in ports
    .clk_in1(sys_clk));      // input clk_in1

endmodule

    接下来进行测试文件编写：

`timescale 1ns / 1ps
module tb_clk_top();
    reg sys_clk;
    reg rst;
    wire locked;
    wire clk_100m,clk_100m_180,clk_50m,clk_25m;

    always #5 sys_clk = ~sys_clk;

    initial begin
        sys_clk <= 1'b0;
        rst = 0;
    #15 
        rst = 1;
    #10 
        rst = 0;
    end

    clk_top clk_top_u1(
        .sys_clk (sys_clk),
        .rst     (rst),
        .clk_100m(clk_100m),
        .clk_100m_180(clk_100m_180),
        .clk_50m(clk_50m),
        .clk_25m(clk_25m),
        .locked(locked)
    );

endmodule

4、测试结果

     可以看到，经过一段时间后，时钟输出趋于稳定，实现稳定的分频时钟输出，与我们预期的结果是一致的。

三、总结

     时钟IP核在我们的FPGA设计过程中是非常常用的，一般也是我们推荐使用的一种设计方式，它可以给我们提供不同频率，不同相位的时钟输出。