【FPGA开发】Xilinx锁相环IP核仿真输出初始有一段高电平引发的思考与探究

现象

本来是在通过Xilinx提供的 Clocking Wizard IP核做有关锁相环的实验，在Vivado中的仿真结果如下：

后面输出的时钟波形是对的，但4路输出前确有一小段高电平，仔细放大看一下：

这个高电平持续了一个周期，这就奇怪了，无论是源代码还是仿真代码，都不涉及到它们四个wire类型的变量的初值之类的。

原始代码

源代码：

verilog 复制代码

module ip_clk_wiz(
    input  sys_clk_p,
    input  sys_clk_n,
    input  sys_rst_n,
    output o_pll_clk
    );

wire clk_out1;
wire clk_out2;
wire clk_out3;
wire clk_out4;

assign o_pll_clk = clk_out4;
    
clk_wiz_0 instance_name(

    .clk_out1  (clk_out1  ),
    .clk_out2  (clk_out2  ),
    .clk_out3  (clk_out3  ),
    .clk_out4  (clk_out4  ),
               
    .reset     (~sys_rst_n),
    .locked    (          ),

    .clk_in1_p (sys_clk_p ),
    .clk_in1_n (sys_clk_n )
    );
    
endmodule

tb代码：

verilog 复制代码

`timescale 100ps / 100ps
 
module tb_ip_clk_wiz();

reg sys_clk_p;
reg sys_clk_n;
reg sys_rst_n;

initial begin
    sys_clk_p <= 1'b0;
    sys_clk_n <= 1'b1;
    sys_rst_n <= 1'b0;
    #1000
    sys_rst_n <= 1'b1;
end

always begin
    sys_clk_p <= 1'b0;
    sys_clk_n <= 1'b1; 
    #25;
    sys_clk_p <= 1'b1;
    sys_clk_n <= 1'b0;        
    #25;
end

ip_clk_wiz u_ip_clk_wiz(
    .sys_clk_p   (sys_clk_p),
    .sys_clk_n   (sys_clk_n),
    .sys_rst_n   (sys_rst_n),
    
    .o_pll_clk   ()
    );   
     
endmodule

探究

一开始想着，是不是跟 IP 核的高电平复位有关，因为初始的复位是有效的，对于IP核就一直处于复位状态，然后干脆就IP核的复位都直接不接了，但还是会有这么一段高电平。

然后，尝试把 IP 核的例化注释掉，结果如下：

这样似乎就合乎常理了，因为 wire 类型变量按照语法，在仿真开始时，wire 变量的值是不确定的（通常表现为高阻态或未定义值，即 x 或 z ），这里就是表现为 z 高阻态。

想到这我接着探究，既然IP核的例化都注释掉了，那再用 modelsim 仿真一下，看看，结果如下：

与 Vivado 的结果相同。

综合以上的尝试，我们可以知道，出现最开始现象的原因应该是与 IP 核有关，不过结合 testbench 文件仔细研究一下那个输出：

在 t=100ns 复位变为高电平，对于IP而言，开始有效输出，但根据波形可以看出，最终的有效时钟信号是在 200ns 以后产生的，这是因为，IP 核要获取稳定地输出需要一定的时间，与此同时也让人联想到了我前面源代码中没有接的 locked 信号，Xilinx 对它的解释如下：

即只有稳定了以后，才会把它拉高有效，我们继续仿真试试看，把这个信号加进来。

可以发现这个信号会在我们之前看到的有效时钟出来之后才会拉高，也进一步验证了前面的观点。对于我们的启示是，在实际使用 Clocking Wizard IP核时，最好是在判断 lock 信号拉高后再使用它输出的时钟，不然可能会出现一些隐蔽的隐患。

后来看正点原子的视频时发现，它们也提到，实际使用时，可以再给一个内部的复位信号采用以下逻辑给出这个复位信号，然后在这个复位信号有效的情况下再去进行一些用到PLL输出的时钟的操作。

verilog 复制代码

wire        locked;
wire        rst_n;
assign rst_n = sys_rst_n & locked;