理論學(xué)習(xí)

IP理論學(xué)習(xí)

IP（Intellectual Property）是知識(shí)產(chǎn)權(quán)的意思，半導(dǎo)體行業(yè)的IP是“用于ASIC或FPGA中的預(yù)先設(shè)計(jì)好的電路功能模塊”。一些常用的復(fù)雜的功能模塊（如FIFO、RAM、FIR濾波器、SDRAM控制器、PCIE接口等），不可能每次使用都要用戶自行設(shè)計(jì)，所以可以將其設(shè)計(jì)成 參數(shù)可修改的模塊 ，其他用戶可以直接調(diào)用。具有復(fù)雜功能和商業(yè)價(jià)值的IP核一般具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

IP核有三種不同的存在形式： HDL語(yǔ)言形式，網(wǎng)表形式、版圖形式 。分別對(duì)應(yīng)三類IP內(nèi)核： 軟核、固核和硬核 。

軟核：通常是以硬件描述語(yǔ)言HDL源文件的形式出現(xiàn)，大多數(shù)應(yīng)用于FPGA的IP內(nèi)核均為軟核。軟核通常以加密形式提供，RTL對(duì)用戶不可見(jiàn)，但布局和布線靈活。在這些加密的軟核中，如果對(duì)內(nèi)核進(jìn)行了參數(shù)化，那么用戶就可通過(guò)頭文件或圖形用戶接口（GUI）方便地對(duì)參數(shù)進(jìn)行操作。

固核：完成了綜合的功能塊，以網(wǎng)表的形式交給客戶使用。對(duì)于那些對(duì)時(shí)序要求嚴(yán)格的內(nèi)核（如PCIE接口內(nèi)核），可預(yù)布線特定信號(hào)或分配特定的布線資源，以滿足時(shí)序要求。內(nèi)核是預(yù)先設(shè)計(jì)的，可能會(huì)影響整體設(shè)計(jì)，例如：由于內(nèi)核的建立時(shí)間、保持時(shí)間和握手信號(hào)都可能是固定的，因此其它電路的設(shè)計(jì)時(shí)都必須考慮與該內(nèi)核進(jìn)行正確地接口。如果內(nèi)核具有固定布局或部分固定的布局，那么這還將影響其它電路的布局。

硬核：最終階段產(chǎn)品——掩膜（Mask），以經(jīng)過(guò)完全的布局布線的網(wǎng)表形式提供。硬核缺乏靈活性且可移植性差，但由于無(wú)須提供RTL文件，更易于實(shí)現(xiàn)IP保護(hù)。比如一些FPGA芯片內(nèi)置的ARM核就是硬核。

IP核也有缺點(diǎn)：1、不同的廠商會(huì)有自己的IP且一般不通用，不好移植，如果之前用的一個(gè)廠商的某個(gè)IP核，改用另一個(gè)廠商就需要將整個(gè)IP核替換。2、IP核實(shí)質(zhì)是個(gè)加密的 黑匣子 ，如果出現(xiàn)問(wèn)題或者想優(yōu)化都不好修改。3、有些定制的IP核會(huì)很貴。

Altera公司提供兩類功能模塊：免費(fèi)的LPM宏功能模塊（Megafunction/LPM）和需要授權(quán)使用的IP知識(shí)產(chǎn)權(quán)（MegaCore），兩者的實(shí)現(xiàn)功能上有區(qū)別，使用方法相同。Altera IP核有邏輯運(yùn)算IP核，數(shù)學(xué)運(yùn)算IP核，存儲(chǔ)器類IP核，數(shù)字信號(hào)處理IP核，數(shù)字通信IP核，圖像處理IP核，輸入/輸出IP核，芯片接口IP核，設(shè)計(jì)調(diào)試IP核等等。

這里通過(guò)Quartus II中MegaWizard插件管理器去例化IP核。（非Altera的第三方IP核以網(wǎng)表文件方式提供）。在MegaWizard插件管理中可以創(chuàng)建、定制和例化Altera IP核。

PLL理論知識(shí)

PLL（Phase Locked Loop，即鎖相環(huán)）是最常用的IP核之一，可以對(duì)輸入到FPGA的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行任意 分頻、倍頻、相位調(diào)整、占空比調(diào)整 ，輸出期望時(shí)鐘。即使不改變輸入時(shí)鐘，也會(huì)使用PLL，因?yàn)榻?jīng)過(guò) PLL 后的時(shí)鐘在抖動(dòng)（Jitter）方面的性能更好一些。

PLL的結(jié)構(gòu)如圖所示：

能夠看出來(lái)這個(gè)系統(tǒng)是閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。

FD/PD是鑒頻鑒相器，參考時(shí)鐘（ref_clk）通過(guò)鑒頻（FD）鑒相器（PD）和輸出的時(shí)鐘頻率進(jìn)行比較，參考時(shí)鐘頻率等于輸出時(shí)鐘頻率則鑒頻鑒相器輸出為0，如果參考時(shí)鐘頻率比較大則鑒頻鑒相器輸出>1的值，如果參考時(shí)鐘頻率較小則鑒頻鑒相器輸出<1的值。

LF是環(huán)路濾波器，用于控制噪聲的帶寬，濾掉高頻噪聲，將帶有噪聲的波形變平滑。

VCO是壓控振蕩器，LF輸出的電壓越大，VCO輸出的頻率越高，然后將這個(gè)頻率信號(hào)連接到鑒頻鑒相器作為需要比較的頻率。

PLL的作用是讓期望得到的輸出時(shí)鐘與參考時(shí)鐘的頻率逐漸相等并穩(wěn)定。

倍頻的實(shí)現(xiàn)： 在VCO后接一個(gè)分頻器，分頻后的pll_out頻率等于ref_clk頻率，那么pll_out頻率就是ref_clk頻率的倍頻

分頻的實(shí)現(xiàn)： 在參考時(shí)鐘后接一個(gè)分頻器，ref_clk分頻后頻率等于pll_out頻率，那么pll_out是ref_clk的分頻

具體步驟 ：

首先依然是創(chuàng)建prj，rtl，sim文件夾，prj中放工程，rtl中放綜合用的.v文件，sim中放testbench文件。建立工程，工程名為pll。工程名，頂層的文件名，頂層模塊名最好都保持一致，否則可能會(huì)報(bào)錯(cuò)。另外在prj文件中建立一個(gè)子文件夾ipcore用來(lái)放工程中可能用到的ip，ipcore文件夾下再放一個(gè)pll_ip文件夾，表示存放的是pll的ip。養(yǎng)成良好的習(xí)慣，有助于以后在復(fù)雜工程里方便的查找文件，也方便別人閱讀。然后打開(kāi)MegaWizard Plug，創(chuàng)建ip并配置ip：

Tools-MegaWizard Plug-In Manager-creat a new custom megafunction variation-next

后面配置擴(kuò)展頻譜時(shí)鐘和帶寬可編程，配置時(shí)鐘切換，PLL重新配置都用默認(rèn)項(xiàng)，都是高級(jí)設(shè)置。到output clock設(shè)置頁(yè)面就要進(jìn)行輸出時(shí)鐘的參數(shù)配置。

我們將c0設(shè)置為輸入時(shí)鐘的2倍頻，c1設(shè)置為2分頻，c2設(shè)置為相移90°，c3設(shè)置為占空比20%，如下圖所示：

接下來(lái)是EDA配置界面，可以直接點(diǎn)擊“Next”。

這里顯示了我們?cè)?a target="_blank">仿真PLL IP核時(shí)所需要的Altera的仿真庫(kù)，使用NativeLink聯(lián)合ModelSim的仿真時(shí)不需要關(guān)心這個(gè)仿真庫(kù)，設(shè)置好NativeLink后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)幫我們添加這個(gè)仿真庫(kù)的，但如果使用ModelSim單獨(dú)進(jìn)行仿真時(shí)不添加該仿真庫(kù)就會(huì)報(bào)錯(cuò)，這里提示了我們需要添加哪些庫(kù)才能夠滿足ModelSim的單獨(dú)仿真。

接下來(lái)是Summary（總體設(shè)置）界面，顯示的是配置好PLL IP核后要輸出的文件，其中“pll_ip.v”和“pll_ip.ppf”是默認(rèn)輸出的，不可以取消。此外我們?cè)賹ⅰ皃ll_ip_inst.v”這個(gè)實(shí)例化模板文件添加上，方便我們實(shí)例化時(shí)使用，其余的文件都不要勾選。

在彈出的頁(yè)面中勾選，可以把.qip文件添加到file目錄下

也可以手動(dòng)把.qip文件添加到file目錄下

創(chuàng)建和設(shè)置完Ip后可以觀察到ipcore文件夾中生成了.ppf文件，.qip文件，pll_ip.v文件，pll_ip_inst.v文件。

.qip文件可以通過(guò)手動(dòng)添加的方式或者彈窗確定的方式添加到工程結(jié)構(gòu)中。

pll_ip.v和pll_ip_inst.v文件是根據(jù)我們?cè)O(shè)置好的ip參數(shù)生成的，如果不想改變輸出時(shí)鐘就不要改變里面的內(nèi)容。pll的ip（atpll）可以看作一個(gè)器件，我們不需要也不能了解內(nèi)部構(gòu)造，只能通過(guò)配置參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到想要的輸出。我們通過(guò)圖形化界面的配置會(huì)生成pll_ip.v文件，文件中定義了pll_ip module，輸入是我們定義的50MHz的時(shí)鐘，輸出是我們定義的c0,c1,c2,c3和locked。實(shí)例化atpll黑匣子模塊，將定義的6個(gè)輸入輸出與atpll模塊相連，我們的pll_ip模塊就具有了自定義的鎖相環(huán)功能，其他引腳沒(méi)有被使用，就是默認(rèn)的配置。還生成了pll_ip_inst.v文件，是將pll_ip模塊進(jìn)行實(shí)例化。

接下來(lái)需要將pll的ip當(dāng)作一個(gè)子模塊，實(shí)例化并調(diào)用它，寫(xiě)成頂層模塊pll

編寫(xiě)代碼

module pll
(
input wire sys_clk , 
output wire clk_mul_2 , //2倍頻后的時(shí)鐘
output wire clk_div_2 , //2分頻后的時(shí)鐘
output wire clk_phase_90 , //相移90°后的時(shí)鐘
output wire clk_ducle_20 , //占空比為20%的時(shí)鐘
output wire locked //檢測(cè)鎖相環(huán)是否已經(jīng)鎖定，只有該信號(hào)為高時(shí)輸出的時(shí)鐘才是穩(wěn)定的
 );


 pll_ip pll_ip_inst
 (
 .inclk0 (sys_clk ), 
 .c0 (clk_mul_2 ), 
 .c1 (clk_div_2 ), 
 .c2 (clk_phase_90 ), 
 .c3 (clk_ducle_20 ),
 .locked (locked )
 );


 endmodule

pll模塊的輸入為系統(tǒng)時(shí)鐘50MHz，輸出信號(hào)名稱分別對(duì)應(yīng)各自的特性

pll_ip模塊中定義的輸入和輸出引腳，在實(shí)例化時(shí)，通過(guò)信號(hào)名稱關(guān)聯(lián)進(jìn)行引用。c0就是2倍頻，c1就是2分頻...

Testbench

Testbench文件是tb_pll.v，testbench的原理是將頂層模塊作為待測(cè)件DUT，定義一個(gè)時(shí)鐘輸入作為DUT的激勵(lì)，并觀察輸出波形，如果得到了預(yù)想的波形說(shuō)明我們的程序沒(méi)有問(wèn)題。模塊必須要經(jīng)過(guò)實(shí)例化才能調(diào)用，這里想調(diào)用頂層模塊作為被測(cè)件，我們需要實(shí)例化pll.v并重新連接輸入輸出。

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


 reg sys_clk;
 wire clk_mul_2 ;
 wire clk_div_2 ;
 wire clk_phase_90;
 wire clk_ducle_20;
 wire locked ;


 //初始化系統(tǒng)時(shí)鐘
 initial sys_clk = 1'b1;


 //sys_clk:模擬系統(tǒng)時(shí)鐘，每10ns電平翻轉(zhuǎn)一次，周期為20ns，頻率為50MHz
 always #10 sys_clk = ~sys_clk;


 pll pll_inst(
 .sys_clk (sys_clk ), //input sys_clk
 .clk_mul_2 (clk_mul_2 ), //output clk_mul_2
 .clk_div_2 (clk_div_2 ), //output clk_div_2
 .clk_phase_90 (clk_phase_90 ), //output clk_phase_90
 .clk_ducle_20 (clk_ducle_20 ), //output clk_ducle_20
 .locked (locked ) //output locked
 );


 endmodule

時(shí)鐘信號(hào)用寄存器reg變量進(jìn)行定義，剩下的幾個(gè)輸出變量都用wire等同于物理連線。

初始化：時(shí)鐘初始為高電平

模擬系統(tǒng)時(shí)鐘：我們需要給DUT一個(gè)激勵(lì)時(shí)鐘，頻率為50MHz，因此每延時(shí)10ns要翻轉(zhuǎn)一次電平

實(shí)例化pll模塊：用物理連線將tb_pll模塊的輸入輸出和pll模塊的輸入輸出連接，那么tb_pll的輸出就是DUT對(duì)模擬系統(tǒng)時(shí)鐘的響應(yīng)。通過(guò)modelsim觀察輸出信號(hào)，就可以判斷是否達(dá)到理想結(jié)果。

波形分析

和預(yù)想一致

說(shuō)在后面：IP核給我們一種很好的學(xué)習(xí)思路，在使用一個(gè)模塊時(shí)，可以先不必看懂他的代碼，只需要根據(jù)模塊的作用進(jìn)行實(shí)例化就可以完成我們想要的設(shè)計(jì)！