IP核简介及PLL_IP核的调用

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前言

这几天在学习FPGA的IP核的知识，里面涉及了许多方法于是写博客方便后续的复习等。IP核在我目前的理解来说就像我们学习c语言的头函数一样，是别人已经实现封装的一个方法，我们需要进行引入并了解他的接口，具体看下面。

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一、IP核是什么？

1、定义

IP(Intellectual Property) 即知识产权。在半导体产业将IP核定义为“用于ASIC或FPGA中的预先设计好的电路功能模块”。简而言之，这里的IP即电路功能模块。

在数字电路中，将常用的且比较复杂的功能模块设计成参数可修改的模块，让其他用户可以直接调用这些模块，这就是IP核。

2、优点

1、随着FPGA的规模越来越大，它的设计也是越来越复杂。
2、随着设计规模增大，复杂度提高，使用IP核可以提高开发效率，减少设计和调试时间，加速开发进程，降低开发成本，是业界的发展趋势。

3、IP核存在形式(依据产品交付方式)

1、HDL语言形式 — 软核

硬件描述语言; 可进行参数调整、复用性强;布局、布线灵活;设计周期短、设计投入少。

2、网表形式 — 固核

完成了综合的功能块;可预布线特定信号或分配特定的布线资源。

3、版图形式 — 硬核

硬核是完成提供设计的最终阶段产品-掩膜(Mask)，缺乏灵活性、可移植性差;更易于实现IP核的保护。

4、缺点

1、IP核往往不能跨平台使用
2、IP核不透明，看不到内部核心代码
3、定制IP需额外收费

5、调用IP核的几种方式

1、Mega Wizard插件管理器(常用)
2、SOPC构造器
3、DSP构造器(仅支持部分IP核的例化使用)
4、Qsys设计系统例化(仅支持部分IP核的例化使用)

二、PLL-IP核

1.PLL-IP核简介

PLL (Phase Locked Loop,即锁相环)是最常用的IP核之一，其性能强大，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。

• 在Altera中，使用的锁相环是模拟锁相环，对应的还有数字锁相环。相对于数字锁相环，我们的模拟锁相环输出的信号稳定度高、相位连续可调、延时连续可调。但当温度过高或电池辐射过强会导致失锁。

1、工作原理

首先，我们的锁相环是一个反馈系统。输入到锁相环中的ref_clk是一个参考时钟，输入到鉴频鉴相器，FD是鉴频，PD是鉴相，此外输入鉴频鉴相器中的还有一个比较时钟，就是反馈的时钟。如果输入的参考时钟与比较时钟对比大小一致则输出0，表示相等，输出一个变大的成正比的一个值，表示大于，输出一个变小的成正比的，表示小于。鉴频鉴相器的信号输出到LF(环路滤波器)，LF根据输入的不同值输出不同电压幅值。接着来到 VCO(压控振荡器)，输入到压控振荡器的电压越高，输出信号的频率越高。在经过多次对比调节，参考时钟频率会与比较时钟频率相等，最后输出。

2、倍频

因为输入鉴频鉴相器的两个信号会趋于相等，那么在反馈时进行一个div,那么就会使的输出的信号增大几倍。那么你是否会想到，分频的话，div应该位于哪里？

3、分频

直接对输入的参考时钟进行分频的信号输入鉴频鉴相器，最终输出的信号与反馈信号一致，并且在鉴频鉴相器的中，反馈信号会与分频后的信号一致，便实现了分频。

2、PLL-IP核配置

首先，我们需要新建文件体系，四个文件夹sim、rtl、prj、doc。在prj中新建工程，参考：
https://blog.csdn.net/qq_52215423/article/details/128006883

• 选择IP核：

• 搜索IP核并双击点击进行配置：

- 设置IP核存放位置

在prj文件夹下新建ip_core文件夹用于存放IP文件，在之下又新建子文件pll_ip用于存放我们的目标ip。

• 弹出设置界面：
  

• 参数配置：
  

这里的时钟反馈模式有：
1、源同步模式
2、无补偿模式
3、标准模式
4、零延迟缓冲模式
5、确定性延迟补偿模式
Altera PLL IP核四种工作模式介绍

• 点击next:
  
• 继续next:
  

这个界面主要是拓展频谱时钟和带宽可编程功能，属于锁相环高级特性，我们先不进行操作。

• 继续next：
  

这里也是高级属性，不进行使用。

• 继续next，进入第二个设置界面：
  

这个界面是锁相环的重配置，主要用于锁相环动态重配置和动态相位重配置，也属于高级属性，我们不能进行使用，选择默认。

• 继续next来到输出时钟的设置：

每个锁相环可以输出五个时钟，对应下面有五个子选项。

• 下面是设置完的参数：

• 继续next进入eda设置界面：
  

这里没有我们需要设置的界面，继续next。

• Summary设置界面：

点击finish，完成配置。

选择yes，完成ip核的设置。

• 绘制波形图：

• 查看pll_ip文件夹下是否生成ip文件：
  

3、PLL-IP核调用

• 查看ip核的实例化文件(pll_ip_inst)：

pll_ip	pll_ip_inst (
	.inclk0 ( inclk0_sig ),
	.c0 ( c0_sig ),
	.c1 ( c1_sig ),
	.c2 ( c2_sig ),
	.c3 ( c3_sig ),
	.locked ( locked_sig )
	);

• 编写顶层文件：

module pll (
    input wire sys_clk,
    output wire clk_mul_2,
    output wire clk_div,
    output wire clk_pha_90,
    output wire clk_duc_20,
    output wire locked
);
pll_ip	pll_ip_inst (
	.inclk0 ( sys_clk ),
	.c0 ( clk_mul_2 ),
	.c1 ( clk_div ),
	.c2 ( clk_pha_90 ),
	.c3 ( clk_duc_20 ),
	.locked ( locked )
	);    
endmodule

• 引入顶层文件后进行全编译：
  

编译通过。

• 补充：临时想对ip核进行重新的设置：
  勾选IP_Component
  
  双击进行修改：
  
• 不小心把IP核文件删除：

右击将文件进行添加即可

4、PLL-IP仿真

• 仿真文件：

`timescale 1ns/1ns
module tb_pll();
reg sys_clk;

wire clk_mul_2;
wire clk_div;
wire clk_pha_90;
wire clk_duc_20;
wire locked;

initial begin
     sys_clk=1'b1;
end

always #10 sys_clk=~sys_clk;

pll pll_inst(
    .sys_clk    (sys_clk), 
    .clk_mul_2  (clk_mul_2),
    .clk_div    (clk_div),
    .clk_pha_90 (clk_pha_90),
    .clk_duc_20 (clk_duc_20),
    .locked     (locked)
);

endmodule

将仿真文件添加，然后进行全编译，然后进行仿真设置(忽略)，接着就是仿真。

• 仿真波形图：
  

仔细对照绘制的波形图或查看波形图的频率、相位以及占空比与设置的一致，仿真通过。

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三、总结

这篇文章主要介绍了IP核以及它的一些用法，此外了解了PLL (Phase Locked Loop,即锁相环)是最常用的IP核之一，可以通过PLL_IP获得期望的时钟。后续会继续更新其他IP核的内容。

四、参考资料

1、Altera PLL IP核四种工作模式介绍
2、野火FPGA系列教学视频