Spinal 时钟域

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时钟域的例化和管理通常发生在top level，时钟信号和复位信号的互联在顶层或者次顶层。

Spinal中提供了ClockDomain类来建模和管理不同的时钟域。

一个系统如下：

https://wswslzp.github.io/2022/03/04/spinal/clockdomain/clockdomain.png

系统内部包含一个外部时钟和三个内部时钟域。外部时钟域，即时钟源在片外，比如片外晶振，其产生的时钟信号通过IO pad连入chip，作为片内PLL的时钟输入，或者直接用。内部时钟域则是时钟源在片内产生的，比如PLL产生的时钟信号。

时钟域的例化

外部时钟域

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// 例化一个前缀为“ref”的外部时钟域
val ref_clk_dom1 = ClockDomain.external(name = "ref")

如上，例化了一个外部时钟域。它会在模块的顶层产生对应的前缀的时钟信号和复位信号，作为chip的输入端口。我们可以直接使用ClockingArea来给我们的设计定义为这一时钟域，也可以使用 mapClockDomain(<ext_clk_dom>, clock=<driven_clk>, reset = <driven_reset>) 来让外部时钟域定义的时钟信号和复位信号，驱动IP定义的时钟信号和复位信号。

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val iopll = IOPLL()
val por = POR()

// 不能直接调用外部时钟域的clock、reset去驱动内部的时钟，只能通过mapClockDomain的方法
iopll.mapClockDomain(ref_clk_dom1, clock = iopll.refclk) // OK
iopll.refclk := ref_clk_dom1.clock // ERROR!

// 或者使用 ClockingArea 包住用户的逻辑
val ref_clk_area = new ClockingArea(ref_clk_dom1){
 ...
}

内部时钟域

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// 例化一个前缀为“sys”的内部时钟域
val sys_clk_dom1 = ClockDomain.internal(name = "sys")

// 将内部时钟源和内部时钟域绑定起来
sys_clk_dom1.clock := iopll.outclk0
sys_clk_dom1.reset := por.ninit_done

与外部时钟域不同，内部时钟域的时钟信号和复位信号都由chip内部产生，需要用户自己定义内部时钟源和内部时钟域的连接关系。

它的使用也和外部时钟域类似，主要也是两种：

  • 使用 mapClockDomain 函数，将时钟域和IP的时钟域绑定
  • 使用 ClockingArea，将时钟域和用户逻辑绑定

时钟域的绑定

Component的类内自带一个默认的 clockDomain ，其自动绑定到下面的时序单元。

通过上述的方法例化的时钟域，类似于入栈，压在默认时钟域上方，这些时钟域对应的 ClockingArea 中的用户逻辑，包括 Component 和 BlackBox 都会使用相应的栈顶的时钟域而不是栈底的时钟域。

用户逻辑的绑定

两种方式，一种直接将逻辑放在对应的时钟域内：

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val aclk = ClockDomain.external("a")
aclk {
	// some logic here
}

缺点在于，内部逻辑是匿名的，无法被外部访问。声明只能都放在外面。适用于toplevel的连接。优点是简洁，不易产生cdc问题。

另外一种，声明一个 ClockingArea ，包住一个时钟域。随后逻辑放在Area内部。外面的逻辑可以直接访问内部逻辑。缺点是可能有cdc问题（人为失误）。另外Spinal提供预设的三种Clocking Area：

  • SlowArea 分频时钟域，该Area下的时钟域是当前时钟域的一个整数分频
  • ResetArea 复位域，该Area下的时钟域与当前时钟域共享一个时钟，但是引入新的复位信号。原复位信号是否起作用，可以选择， cumulative 为true则起作用
  • ClockEnableArea 门控时钟域，该Area下的时钟共享当前时钟域的时钟，并引入一个新的信号作为门控信号。

IP的绑定

通过 BlackBox 的方法： mapClockDomain 和 mapCurrentClockDomain 。传参有：

  • clockDomain: 用作驱动的时钟域(mapCurrentClockDomain 没有这一参数，它使用的就是当前时钟域，即IP被例化的位置所拥有的时钟域)
  • clock: 被驱动的时钟信号
  • reset：被驱动的复位信号
  • enable：被驱动的时钟门控信号