如何设计FPGA的PLL模块？

使用FPGA时，要产生需要的特定频率是一件非常简单的事情。一种方法是自己设计对输入的时钟进行倍频和分频。另一种非常简单的方法，使用FPGA自带的PLL，如果运用MegaFunction图形化的设计方法定制PLL模块，仅需几步即可完成。\x0d\x0a打开MegaWizard Plug-In Manager，在Installed Plug-Ins下，展开I/O，找到ALTPLL模块。如果没有选择器件，可以在窗口右边最上选择器件。选择要生成模块的程序语言，输入要生成的模块文件的路径和名字。\x0d\x0a第二步进入到类似web的设定参数窗口，可以点击各个步骤的链接跳到相应步骤去。右上角的About可以看到这个ALTPLL模块的相关信息，Documentation里有模块用户指南、设计参考等参考文档，还可以生成样例波形作为参考。\x0d\x0a1、General/Modes。在General栏里设定器件，速度等级，输入频率，还可以将PLL设置在LVDS模式下（需要器件支持）。在PLL type中设置PLL类型（影响补偿模式）。\x0d\x0a2、（Scan/Lock）设置PLL控制信号。\x0d\x0a3 、Simulation Library选择模拟时使用的库。\x0d\x0a4、 Summary可以看到将要生成的文件。\x0d\x0aMegaFunction的ALTPLL模块实际是使用代码，通过调用altera_mf库中的PLL模块实现PLL的。打开生成的.vhd文件可以看到调用情况。

CPU PLL Selection选项，该选项允许用户设置CPU PLL的模式，里面提供了两种模式供大家选择：一种是LCPLL，另一种是SBPLL。对于用户来说，如果只是想把处理器小幅度超频的话，LCPLL就可满足需求，如果你想要大幅度超频的话，就要选择SBPLL以得到更好的超频性能。

一、背景

FIFO是FPGA项目中使用最多的IP核，一个项目使用几个，甚至是几十个FIFO都是很正常的。通常情况下，每个FIFO的参数，特别是位宽和深度，是不同的。

明德扬(MDY)在2021年承担了多个基于XILINX芯片的研发项目，包括VPX网络透明传输项目(芯片为XC7K325T-2FBG900)、某高端测试仪项目(芯片为XCKU060-FFVA1156)、某网闸设备项目(芯片为XC7Z030-FBG676)等，另外，明德扬自研了基于XC7K325T-2FBG900和基于XC7K410T-2FBG900芯片的核心板，在XILINX研发领域拥有丰富的经验。

这些项目都必须用到FIFO。如果按照通常做法，每种位宽和深度的IP，都要打开FIFO IP核界面、命名(命名不好不好分辨需要的FIFO)、设置参数、生成并编译IP核，工作量可以想象出来是非常多的。更重要的是随之而来的管理问题，如何管理这几十个不同FIFO，如何检查FIFO的设置是否正确，都是一个不小的挑战。

对于我们专门承接项目的团队，绝不可忍受如此重复、枯燥、容易出错的工作。经过精心研究，终于找到了一条实用的方法：使用XILINX的原语--xpm_fifo_async和xpm_fifo_sync。

XILINX原语xpm_fifo_async和xpm_fifo_sync在FPGA中，可以直接例化使用，并且可以参数化FIFO的位宽和深度的。即在设计时，不用生成FIFO IP，直接例化就可以使用了。

二、获得参考代码

打开VIVADO软件，点击上图中的Language Templates，将会d出Language Templates窗口，如下图。

在Language Templates窗口中，依次点击verilog、Xilinx Parameterized Macros(XPM)、XPM、XPM_FIFO，如上图。可以看到有三种FIFO，分别是异步的XPM FIFO：xpm_fifo_async、AXI总线的FIFO：xpm_fifo_axis和同步的XMP FIFO：xpm_fifo_sync。

选择xpm_fifo_async，右边的Preview窗口，将出现xpm_fifo_async的注释以及参考代码。将此部分代码拷出来，并将注释删除，剩下的是xpm_fifo_async的例化参考。

上图是对xpm_fifo_async的参数例化部分。下面是需要重点关注并经常使用的参数。

Ø FIFO_WRITE_DEPTH：FIFO的写深度，其实就是在这里设置FIFO的深度，注意该值通常是2的N次方，如8、16、32、64等数。

Ø PROG_EMPTY_THRESH：FIFO的快空的水线。当FIFO存储的数据量小于该水线时，FIFO的快空信号将会变高。

Ø PROG_FULL_THRESH：FIFO的快满的水线。当FIFO存储的数据量大于该水线时，FIFO的快满信号将会变高，表示有效。

Ø READ_DATA_WIDTH：读数据的位宽。

Ø WRITE_DATA_WIDTH：将数据的位宽。

Ø RD_DATA_COUNT_WIDHT：读侧数据统计值的位宽。

Ø WR_DATA_COUNT_WIDTH：写侧数据统计值的位宽。

上图是对xpm_fifo_async的接口信号部分。下面是需要重点关注并经常使用的信号。

Ø wr_clk：FIFO的写时钟

Ø rst：FIFO的复位信号，高电平有效。要注意的是，该信号是属于写时钟域的。

Ø wr_en：FIFO的写使能信号。

Ø din：FIFO的写数据

Ø full：写满指示信号，当FIFO写满时，该信号变高。

Ø wr_data_count：FIFO存储数据量指示信号，用来指示当前FIFO已经写入但未读出的数据个数。

Ø rd_clk：FIFO的读时钟。

Ø rd_en：FIFO的读使能。

Ø dout：FIFO读出的数据。

Ø empty：FIFO的空指示信号。当其为1表示FIFO处于空状态，当其为0，表示FIFO内有数据。

三、定义自用的FIFO模块

从第二步可以看出，xpm_fifo_async是可以参数化深度和位宽的。但xpm_fifo_async有很多参数和信号，并且其中有部分是不使用的。为了使用上的方便，可以自定义自用的FIFO模块。

例如，明德扬就定义了一个模块mdyFifoAsy，该信号的接口信号如下图。可以看出，名称更加规范，并且定义常用的信号，如读时钟rd_clk，写时钟wrclk、写使能wrreq等信号。

明德扬还在模块mdyFifoAsy定义了一些常用的参数，分别是FIFO深度参数：DEPT_W；FIFO位宽的参数：DATA_W，还有FIFO快满参数AL_FUL和快空参数AL_EMP，如下图。

接下来，就是在mdyFifoAsy中例化并使用xpm_fifo_async了。如下图，就是对xpm_fifo_async的参数例化。将DEPT_W传给FIFO_WRITE_DEPTH，DATA_W传给READ_DATA_WIDTH等。

下图是对xpm_fifo_async的信号例化。将不用的信号留空，将dout连到q，din连到data，wr_en连到wrreq等。您可以根据自己情况来定制FIFO。

四、应用

定制完自己的FIFO后，就可以直接例化使用了。

上图就是使用了一个位宽为8，深度为256的FIFO。

上图就是使用了一个位宽为18，深度为1024的FIFO。

FIFO是FPGA、芯片设计中，最常用的IP核，在存储控制、算法实现、接口设计中，都少不了FIFO，因此合理并正确使用FIFO的技术就非常有必要了，明德扬录制了FIFO的训练视频，掌握后技术能力将有大提升。

通过上面介绍可知，通过此种方式，再也不用生成FIFO IP核啦，整个工程大小基本上可以减少一大半。

上面举的例子是xpm_fifo_async，同步FIFO：xpm_fifo_sync的使用方法是类似的。

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