ZYNQ 入门笔记（二）：动态时钟

概述

Clocking Wizard 可通过配置内部寄存器动态调整输出频率，配置接口可选 DRP 或 AXI4-Lite，其中 AXI4-Lite 实际上是对 DRP 接口的封装

DRP

通过 DRP 接口配置相较 AXI4-Lite 接口要繁琐很多，需要的读者可前往 XAPP888 查看

AXI4-Lite

通过 AXI4-Lite 配置 Clocking Wizard 的流程如下

1. 配置全局分频/倍频系数 DIVCLK_DIVDE 和 CLKFBOUT

   地址偏移	寄存器名	默认值	读/写	描述
   0x200	Clock Configuration Register 0	0x0101_0A00	RW	Bit[7:0] = DIVCLK_DIVDE Bit[15:8] = CLKFBOUT_MULT Bit[25:16] = CLKFBOUT_FRAC

   DIVCLK_DIVDE 和 CLKFBOUT 的取值范围如下，MMCM 具有更大范围的分频系数且支持小数倍频

   	DIVCLK_DIVDE	CLKFBOUT
   PLL	1-56	2-64
   MMCM	1-106	2.000-64.000

   CLKFBOUT 分为整数部分 (CLKFBOUT_MULT) 和小数部分 (CLKFBOUT_FRAC)，其中小数部分 (CLKFBOUT_FRAC) 仅对 MMCM (E2/E4) 原语有效，即 MMCME3/PLL 原语 不支持小数倍频

   

   CLKFBOUT 的小数部分 (CLKFBOUT_FRAC) 取值范围 0-875（对应实际倍频值 0-0.875），步进为 125（对应实际倍频值 0.125）。假设倍频系数为 8.125，则整数部分 Bit[15:8] 位应设置为 8 = 0x8，小数部分 Bit[25:16] 设置为 125 = 0x7D

2. 配置各个通道的分频系数 CLKOUTx_DIVDE，x 取值范围 0-6

   地址偏移	寄存器名	读/写	描述
   0x208 + x * 12	Clock Configuration Register (x * 3 + 2)	RW	Bit[7:0] = CLKOUTx_DIVDE Bit[17:8] = CLKOUT0_FRAC_Divde

   例如 clkout3 的分频寄存器如下

   地址偏移	寄存器名	读/写	描述
   0x208 + 3 * 12 = 0x22C	Clock Configuration Register 11	RW	Bit[7:0] = DIVCLK_DIVDE

   各个通道的分频系数取值范围如下，其中 clkout0 支持小数分频，clkout1 - clkout6 仅支持整数分频

   	clkout0	clkout1 - clkout6
   PLL	1-128	1-128
   MMCM	1.000-128.000	1-128

   仅 MMCM (E2/E4) 原语支持小数分频，MMCME3/PLL 不支持

3. 置位寄存器 23 中的 LOAD/SEN 和 SADDR 比特，将上述配置加载到内部寄存器

   • LOAD/SEN：加载时钟配置寄存器数据至内部寄存器，当动态配置完成且时钟锁定时该比特被置为 0
   • SADDR：若为 0 则加载 Clocking Wizard GUI 中的默认配置（上述配置无效），若为 1 则加载上述寄存器配置

   地址偏移	寄存器名	默认值	读/写	描述
   0x25C	Clock Configuration Register 23	0x0000_0000	RW	Bit[0] = LOAD / SEN Bit[1] = SADDR

   若想恢复默认配置，可向寄存器 0x25C 写入 0x0000_0001

4. 等待时钟锁定，对于非 VERSAL 系列可通过 SR 寄存器监测时钟状态

   地址偏移	寄存器名	默认值	读/写	描述
   0x4	Status Register (SR)	0x0000_0000	R	Bit[0] = Locked

Xilinx 提供了一些库函数用来完成上述配置，其本质上是对上述寄存器读写的封装，下面介绍几个常用的函数

/**
 * @brief 查询时钟树配置
 * @param DeviceId 时钟树 ID 
 * @return 时钟树配置，若不存在则返回 NULL
 */
XClk_Wiz_Config *XClk_Wiz_LookupConfig(u32 DeviceId);
    
/**
 * @brief 初始化时钟树
 * @param InstancePtr 时钟树句柄 
 * @param Config 时钟树配置
 * @param EffectiveAddr 时钟树基地址
 * @return 时钟树初始化成功返回 XST_SUCCESS，否则返回 XST_FAILURE
 */
u32 XClk_Wiz_CfgInitialize(XClk_Wiz *InstancePtr, XClk_Wiz_Config *Config, UINTPTR EffectiveAddr);

/**
 * @brief 设置时钟树输出频率，仅当时钟树只有 1 个时钟输出时有效，时钟树有多个输出时返回 XST_FAILURE。
 *        该函数底层通过遍历 DIVCLK_DIVDE、CLKFBOUT 和 CLKOUT0_DIVDE 获取时钟树配置，需要注意
 *        1. 仅遍历整数倍频系数
 *        2. 不保证输出时钟与设置完全一致，两者的误差保存在 InstancePtr->MinErr 中
 * @param InstancePtr 时钟树句柄
 * @param SetRate 输出时钟频率（MHz） 
 * @return 设置成功返回 XST_SUCCESS，否则返回 XST_FAILURE
 */
u32 XClk_Wiz_SetRate(XClk_Wiz *InstancePtr, u64 SetRate);

/** 
 * @brief 等待时钟锁定
 * @param InstancePtr 设备句柄
 * @return 时钟锁定返回 XST_SUCCESS，否则返回 XST_FAILURE
 */
u32 XClk_Wiz_WaitForLock(XClk_Wiz *InstancePtr);

当 仅有单个时钟输出 且 不需要小数倍频 时，使用上述库函数操作比较方便；如果需要 多个时钟输出 或 输出频率较为复杂，建议首先在 Clocking Wizard 配置页面设置所需频率并记录相关参数，然后配置相关寄存器

示例

下面演示两种常见的时钟动态配置示例

1. 单个时钟输出且不需要小数分频
2. 多个时钟输出

单时钟输出

输入为 300 MHz 差分时钟，输出单端时钟由 100 MHz 动态调整为 10 MHz

首先配置 Clocking Wizard 的原语为 MMCM，勾选 Dynamic Reconfig，设置 Dynamic Reconfig Interface 为 AXI4Lite

为了直观感受时钟变化，将输出时钟分频 10_000_000 倍后连接至 LED，系统整体框图如下

分频器代码如下

module div_clk #(
    parameter  DIVDE       = 32,
    parameter  RST_TIME    = 32,
    localparam CLK_CNT_TH  = (DIVDE >> 1),
    localparam CLK_RST_CNT = DIVDE * RST_TIME
) (
    input      clk,
    input      rst_n,
    output reg div_clk,
    output reg div_resetn
);

    reg [31:0] cnt;
    reg [31:0] clk_rst_cnt;

    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            cnt <= 'b0;
        end else if (cnt == CLK_CNT_TH - 1'b1) begin
            cnt <= 'b0;
        end else begin
            cnt <= cnt + 1'b1;
        end
    end

    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            div_clk <= 1'b0;
        end else if (cnt == CLK_CNT_TH - 1'b1) begin
            div_clk <= ~div_clk;
        end
    end

    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            clk_rst_cnt <= 'b0;
        end else if (clk_rst_cnt < CLK_RST_CNT) begin
            clk_rst_cnt <= clk_rst_cnt + 1'b1;
        end else begin
            clk_rst_cnt <= clk_rst_cnt;
        end
    end

    always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
        if (!rst_n) begin
            div_resetn <= 1'b0;
        end else if (clk_rst_cnt == CLK_RST_CNT - 1'b1) begin
            div_resetn <= 1'b1;
        end else begin
            div_resetn <= div_resetn;
        end
    end

endmodule

PS 端代码如下

#include "stdio.h"
#include "xclk_wiz.h"
#include "xil_printf.h"

#define CLOCK_WIZARD_DEVICE_ID	XPAR_CLK_WIZ_0_DEVICE_ID

int main()
{
	u32 Status;
	u32 XClk_Rate;
	XClk_Wiz XClk_Wiz;
	XClk_Wiz_Config *XClk_Wiz_Config;

    // 1.初始化时钟树
	XClk_Wiz_Config = XClk_Wiz_LookupConfig(CLOCK_WIZARD_DEVICE_ID);
	if (!XClk_Wiz_Config)
	{
		xil_printf("[ERROR] Clocking wizard init failed, cannot find config\n");
		return XST_FAILURE;
	}

	Status = XClk_Wiz_CfgInitialize(&XClk_Wiz, XClk_Wiz_Config, XClk_Wiz_Config->BaseAddr);
	if (Status != XST_SUCCESS)
	{
		xil_printf("[ERROR] Clocking wizard config failed\n");
		return Status;
	}
    
    // 2.设置输出时钟频率
    Status = XClk_Wiz_SetRate(&XClk_Wiz, 10);
    if (Status != XST_SUCCESS)
    {
        xil_printf("[ERROR] Clocking wizard set rate failed\n");
        return Status;
    }

    // 3.加载配置到内部寄存器
    XClk_Wiz_WriteReg(XClk_Wiz_Config->BaseAddr, 0x0000025C, XCLK_WIZ_RECONFIG_LOAD | XCLK_WIZ_RECONFIG_SADDR);

    // 4.等待时钟锁定
    Status = XClk_Wiz_WaitForLock(&XClk_Wiz);
    if (Status != XST_SUCCESS)
    {
        xil_printf("[ERROR] Clock wizard lock failed\n");
        return Status;
    }

	while (1)
	{
	}

	return 0;
}

通过观察 LED 闪烁频率即可验证配置是否生效，通过示波器测量输出时钟频率

多时钟输出

输入为 300 MHz 差分时钟，通道 0 输出频率由 100 MHz 动态调整为 78 MHz，通道 1 输出频率由 100 MHz 动态调整为 169 MHz

首先配置 Clocking Wizard 的原语为 MMCM，勾选 Dynamic Reconfig，设置 Dynamic Reconfig Interface 为 AXI4Lite

设置 clk_out1 为 78 MHz，clk_out2 为 169 MHz，在 MMCM Settings 页面查看相关配置

• VCO 输出频率为 300 × 84.5 / 25 = 1014 MHz
• 通道 0 输出频率为 VCO / 13 = 78 MHz，通道 1 输出频率为 VCO / 6 = 169 MHz

为了直观感受时钟变化，将输出时钟分频 100_000_000 倍后连接至 LED，系统整体框图如下

PS 端整体代码如下，频率调整部分在 XClk_Wizard_Config 函数中完成，其实就是按照 1.2 中的流程配置寄存器

#include "stdio.h"
#include "xclk_wiz.h"
#include "xil_printf.h"

#define XCLK_WIZARD_BASEADDR XPAR_CLK_WIZ_0_BASEADDR

u32 XClk_Wizard_Reset(u32 DeviceBaseAddr);
u32 XClk_Wizard_Config(u32 DeviceBaseAddr);

int main()
{
    u32 Status;

    while (1)
    {
        // 使用默认配置，输出时钟均为 100MHz
        Status = XClk_Wizard_Reset(XCLK_WIZARD_BASEADDR);
        if (Status != XST_SUCCESS)
        {
            return Status;
        }
        xil_printf("[INFO] 100MHz\n");
        usleep(3 * 1000 * 1000);

        // 配置时钟 1 为 78MHz，时钟 2 为 169MHz
        Status = XClk_Wizard_Config(XCLK_WIZARD_BASEADDR);
        if (Status != XST_SUCCESS)
        {
            return Status;
        }
        xil_printf("[INFO] 78MHz\n");
        usleep(3 * 1000 * 1000);
    }

}

u32 XClk_Wizard_Reset(u32 DeviceBaseAddr)
{
    if (!DeviceBaseAddr)
    {
        return XST_FAILURE;
    }

    // 置位 LOAD/SEN
    Xil_Out32(DeviceBaseAddr + 0x25C, XCLK_WIZ_RECONFIG_LOAD);
    
    return XST_SUCCESS;
}

u32 XClk_Wizard_Config(u32 DeviceBaseAddr)
{
    u32 Count;

    if (!DeviceBaseAddr)
    {
        return XST_FAILURE;
    }

    // 设置全局分频系数 DIVCLK_DIVDE 为 25，全局倍频系数 CLKFBOUT_MULT 为 84.5
    Xil_Out32(DeviceBaseAddr + 0x200, (500 << 16) | (84 << 8) | 25);
    // 配置通道 0 的分频系数为 13（300 / 25 * 84.5 / 13 = 78MHz）
    // 配置通道 1 的分频系数为 6 （300 / 25 * 84.5 / 6  = 169MHz）
    Xil_Out32(DeviceBaseAddr + 0x208 + 0 * 12, 13);
    Xil_Out32(DeviceBaseAddr + 0x208 + 1 * 12,  6);
    // 将配置加载至内部寄存器
    Xil_Out32(DeviceBaseAddr + 0x25C, XCLK_WIZ_RECONFIG_LOAD | XCLK_WIZ_RECONFIG_SADDR);
    // 等待时钟锁定
    Count = 0;
    while (Count < 1000)
    {
        if (Xil_In32(DeviceBaseAddr + 0x4) & XCLK_WIZ_LOCK)
        {
            return XST_SUCCESS;
        }
        Count++;
    }
    return XST_FAILURE;
}

参考文档

[1] PG065. Clocking Wizard v6.0 LogiCORE IP Product Guide

[2] XAPP888. MMCM and PLL Dynamic Reconfiguration Application Note