基于Cyclone IV的动态PLL重配置设计
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——CrazyBingo
——2012-08-28
在实际项目应用中，由于系统的复杂，在某些需求中，需要实现动态时钟输入，或者输出，以实现不同的时序电路，完成特定的功能。
对于多时钟的输入，当波动超过了一定范围，与之对应的PLL将无法重新锁定时钟，其输出时钟频率将变为不确定的值；同时过去FPGA内部PLL上电完成配置，只能输出固定频率的时钟，无法在上电后在此配置改变（而使用多个PLL也只能局限于几个频率，况且浪费资源）。这些限制，让我们在多时钟设计中不免觉得无能为力。
尽管Stratix II早就有了动态PLL，能在上电后动态配置输入时钟、输出时钟、相位等，但是其价格的高昂，使得动态PLL没有受到广泛的应用。直到Cyclone III/IV面世以来，在成本敏感的领域实现高性价比的动态时钟配置，完成不可能的设计，成为了一种可能。
1. PLL的原理与可重配置PLL
锁相环（PLL，Phase Lock Loop）主要作用就是把内部/外部时钟的相位和频率同步于输入参考时钟。PLL一般由模拟电路所实现，其结构如下图所示。
1.1. PLL可充配组件
PLL 使用几个分频计数器和不同的 VCO 相位抽头来执行频率合成及相移。在 Cyclone IV 器件的 PLL 中，您可以实时重配置计数器设置及相移 PLL 输出时钟。此外，您也可以修改电荷泵和环路滤波器组件，这会对 PLL 带宽产生动态影响。 您可以使用这些PLL 组件，在几微妙内来实时更新输出时钟频率、PLL 带宽和相移，而无需重配置整个 FPGA。
以下PLL可重配置组件：
当然，还有PLL还允许动态相移配置，不过这个配置模块与PLL冲配置模块不在一块儿，因此此处没有罗列出，这也不是本文主要的研究目标。Cyclone III/IV的可充沛组件参数，如下所示：
1.2. 可重配PLL
如上图所示，PLL的重配置，是通过一条扫描链完成的。所谓扫描链，其实是一系列的寄存器，通过寄存器的更新，来完成PLL的重配置。因此，PLL的重配置，要严格遵循一定的时序，即不能违背扫描链的架构，否则必然导致重配置失败，甚至失锁。
有关扫描链时序的分析，如下官方手册的截屏：
在Quartus LPM中定制PLL，并且使能PLL动态特性，允许用户可以通过相关接口对PLL进行重配置，如下如所示：
用户可以通过一个Mif文件，来初始化输出时钟，相移等参数（事实证明这个mif不存在也不会影响，因为后端用户设定了参数）。最后生成了如下模块：
其中包含了PLL的复位，输入时钟，输出时钟，以及动态配置的信号线。通过configuradta信号，让PLL动态配置。
1.3. PLL重配模块
纵然PLL的重配置时序不是那么复杂，但是Altera怕我们出意外，为了设计上的简单，减少开发周期，Altera提供了PLL重配置模块。用户只要更新本模块的寄存器（Mif）文件，通过configuradta，本模块会自动完成对可重配PLL的配置。
如上图所示，红圈圈部分，即ALTPLL_RECONFIG的用户接口。用户可以通过更新ALTPLL_RECONFIG内部的Mif文件，通过其对可重配PLL的自动配置功能，完成PLL的动态配置。
具体电路如下所示。通过write_fraom_rom信号，通过选择电路。直接让ALTPLL_RECONFIG自动读取选择的外部ROM的数据，完成对ALTPLL_RECONFIG内部Mif文件的更新。在此之后，通过使能信号，在此自动完成PLL的重配置。
2. PLL重配置的实现
2.1. 相关参数的研究
在可重配PLL的定制过程中，可以生成以定制参数的Mif文件，如上图所示。经过反复的研究，观察了10M~80M，步进为5M的时钟输出的Mif文件，发现了如下规律。其中0-~36为默认，其他有一定的规律，如下图所示：
|
序号 |
地址 |
位数 |
参数 |
|
1 |
36 |
1 |
M counter: Bypass，0表示打开，1表示旁路 |
|
2 |
37-44 |
8 |
M counter: High Count，缩放因子 |
|
3 |
45 |
1 |
M counter: Odd Division，1表示奇数分频 |
|
4 |
46-53 |
8 |
M counter: Low Count，乘法因子 |
|
5 |
54 |
1 |
clk0 counter: Bypass，0表示打开，1表示旁路 |
|
6 |
55-62 |
8 |
clk0 counter: High Count，高脉冲计数 |
|
7 |
63 |
1 |
clk0 counter: Odd Division，1表示奇数分频 |
|
8 |
64-71 |
8 |
clk0 counter: Low Count，低脉冲计数 |
反复的研究Altera 《Implementing PLL Reconfiguration in Cyclone III Devices》手册，详细的分析了ALTPLL_RECONFIG的更新时序，最终研究表明，有三种PLL重配置的方法：
（1）不用ALTPLL_RECONFIG，直接编写时序，更新相关参数（难度较大，无用功太大，不考虑了）
（2）使用ALTPLL_RECONFIG，通过更新Mif文件，完成重配置（还行，Altera推介这样干）
（3）直接在ALTPLL_RECONFIG中需要改变的参数，然后通过ALTPLL_RECONFIG，全自动更新PLL（前期需要一定的研究，要写一些时序，不过一旦成功，一劳永逸）
2.2. Mif文件更新方案
如上图，只要完成了ALTERA_RECONFIG的更新，对PLL的动态配置相当的简单，具体电路见altera官方手册截屏：
Altera貌似推介这种方法，因为不容易出错，不过缺点是，每一个Mif文件，都在在配置PLL的时候，通过修改参数生成，而且需要多少个CLK输出，就需要定制多少个ROM。当然，在完成任务的前提下，我们已经成功了。
2.3. Param更新方案
对于有完美强迫症的我，通过Mif更新的方法，实在是无法忍受。我们明明能做的更好一点，为什么不在努力一把，再花点功夫，研究的深入一些，直接对需要修改的参数进行更新。
在本节第一部分中的参数研究，得出了需要改变的参数，如下表所示：
|
N |
CLK |
LFC |
LFR |
VPS |
CPU |
NX |
MH |
ML |
odd |
CH |
CL |
odd |
|
0 |
10 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
6 |
0 |
30 |
30 |
0 |
|
|
1 |
15 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
6 |
0 |
20 |
20 |
0 |
|
|
2 |
20 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
6 |
0 |
15 |
15 |
0 |
|
|
3 |
25 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
6 |
0 |
12 |
12 |
0 |
|
|
4 |
30 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
6 |
0 |
10 |
10 |
0 |
|
|
5 |
35 |
0 |
27 |
0 |
1 |
4 |
3 |
1 |
5 |
5 |
0 |
|
|
6 |
40 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
6 |
0 |
8 |
7 |
1 |
|
|
7 |
45 |
0 |
27 |
0 |
1 |
5 |
4 |
1 |
5 |
5 |
0 |
|
|
8 |
50 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
6 |
0 |
6 |
6 |
0 |
|
|
9 |
55 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
5 |
1 |
5 |
5 |
0 |
|
|
10 |
60 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
6 |
0 |
5 |
5 |
0 |
|
|
11 |
65 |
0 |
27 |
0 |
1 |
7 |
6 |
1 |
5 |
5 |
0 |
|
|
12 |
70 |
0 |
27 |
0 |
1 |
4 |
3 |
1 |
3 |
2 |
1 |
|
|
13 |
75 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
6 |
0 |
4 |
4 |
0 |
|
|
14 |
80 |
0 |
27 |
0 |
1 |
4 |
4 |
0 |
3 |
2 |
1 |
|
|
15 |
85 |
0 |
27 |
0 |
1 |
9 |
8 |
1 |
5 |
5 |
0 |
|
|
16 |
90 |
0 |
27 |
0 |
1 |
5 |
4 |
1 |
3 |
2 |
1 |
|
|
17 |
95. |
0 |
27 |
0 |
1 |
10 |
9 |
1 |
5 |
5 |
0 |
|
|
18 |
100 |
0 |
27 |
0 |
1 |
5 |
5 |
0 |
3 |
2 |
1 |
|
|
19 |
105 |
0 |
27 |
0 |
1 |
11 |
10 |
1 |
5 |
5 |
0 |
|
|
20 |
110 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
5 |
1 |
3 |
2 |
1 |
|
|
21 |
115 |
0 |
27 |
0 |
1 |
12 |
11 |
0 |
5 |
5 |
0 |
|
|
22 |
120 |
0 |
27 |
0 |
1 |
6 |
6 |
0 |
3 |
2 |
1 |
因此，只要通过一定的时序，将这些参数更新，便可。而且这些参数不是任意的，而是密切跟输出输出频率相关联的，因此，甚至可以用过其他控制逻辑，发送需要输出CLK的参数，来完成动态PLL的配置。
配置的LPM如上如所示，唯一的区别就是舍弃了ROM读取的接口，因为这已经是多余的了。通过上图中的时序，对counter_type的counter_param进行更新，因此，对照着时序图自行设计状态机，对模式寄存器的参数进行更新。具体对应频率的参数如下所示：
经过21个状态，按照一定的时序，更新CLK的倍频与分频的参数，状态机如下：
最后，10M到35M的PLL动态配置，Modelsim时序图如下所示：
3. PLL动态配置的结论与意义
最后，整体设计如上RTL所示，当然目前实现的只是5M-80M，步进为5M的不同时钟的选择，而不是任意时钟的输出。目前实现的万能显示控制器，在5M-80M间运行正常，性能稳定，多亏了动态PLL的功劳。顶层主要包括了如下几个模块：
|
序号 |
模块 |
功能 |
|
1 |
pll_reconfig_top |
PLL重配置顶层模块 |
|
2 |
pll_parameter |
不同频率的参数选择模块 |
|
3 |
user_reconfig_ctrl |
PLL需要改变的参数更新模块 |
|
4 |
pll_reconfig |
ALTERA PLL更新模块 |
|
5 |
ref_pll |
可重配的PLL模块 |
对于任意的输出，由于某些频率下，当分频参数大了，还需要改变电容泵，环路滤波电容电阻等参数，（比如27M的时候，就需要），此处暂时没有再深入，因为对本设计失去了意义。
要问意义何在？毋庸置疑！
（1）在数字信号处理领域，输入CLK改变得时候……
（2）输出时钟需要动态改变，比如ULC的时候……
（3）……
自从有了动态PLL，很多苍白无力的事情，变得更精彩了……
