連接SPI接口器件—第一部分

LEC2 Workbench系列技術博文主要關注萊迪思產品的應用開發問題。這些文章由萊迪思教育能力中心（LEC2）的FPGA設計專家撰寫。LEC2是專門針對萊迪思屢獲殊榮的低功耗FPGA和解決方案集合的全球官方培訓服務供應商。
萊迪思CrossLink?-NX FPGA擁有豐富的特性，可加速實現高速和低速接口。本文（系列博文的第一篇）描述了使用CrossLink-NX FPGA連接基于SPI的外部組件。第一篇博文介紹了使用兩個時鐘域實現連接DAC（亞德諾半導體公司的AD7303 DAC）的SPI接口。第二篇博文將介紹使用單個時鐘域實現連接ADC（亞德諾半導體公司的 ADC AD7476）的SPI接口。兩個案例中呈現了兩種截然不同的實現接口的方法。

兩個時鐘域的實現方案（dac_2c）

亞德諾半導體公司（ADI）的AD7303模塊用作外部DAC。圖1顯示了接口的時序圖和時序參數。在本例中，SCLK頻率為30 MHz。時序參數t4、t5和t6在時序約束規范時尤其需要關注，它們將在set_output_delay約束中使用。

圖1 時序圖和時序特征

兩個時鐘域解決方案的實現如圖2所示。

圖2 兩個時鐘域SPI接口的實現

使用的參數：

輸入時鐘頻率：100 MHZ

內部時鐘CLK_120頻率：120 MHZ

內部時鐘CLK_30頻率：30 MHZ

生成的時鐘dac_sck：30 MHZ

PLL_120_30

PLL從外部時鐘CLK（100 MHz）生成兩個內部相位同步時鐘CLK_120和CLK_30。

dac_sample_gen模塊

dac_sample_gen模塊為dac_fsm生成采樣信號（轉換）。采樣信號開始向DAC傳輸數字數據。采樣率通過sample_select [1:0]信號設置，如表1所示。dac_sample_gen的框圖如圖3所示。

表1 采樣率設置

圖3 dac_sample_gen的框圖

mode_select控制信號控制方波信號或三角波信號的生成，作為DAC的輸入數據。

sync_stage模塊

dac_sample_gen模塊與CLK_120一起工作。控制單元dac_fsm是CLK_30域的一部分。sync_stage模塊將轉換信號從CLK_120域傳輸到CLK_30域。來自dac_fsm的相應信號從CLK_30域傳輸到CLK_120。sync_stage的框圖如圖4所示。

圖4 sync_stage的框圖

dac_fsm模塊用于雙時鐘實現方案

dac_fsm模塊控制生成傳輸到DAC的控制/數據信號。為了遵循圖1給出的t4、t5和t6的值，dac_fsm在CLK_30的下降沿工作。Dac_fsm作為狀態機實現。

圖5 控制結構dac_fsm狀態機

轉換信號被識別后，bit_count計數器加載值15。串行數據在時鐘信號CLK_30的下降沿輸出到dac_sdata上。傳輸16位數據后，dac_fsm再次發出就緒信號并等待下一個轉換信號。

約束兩個時鐘域解決方案的設計

1. 約束時鐘CLK

2. 約束時鐘CLK_120和CLK_30

無需明確定義CLK_120和CLK_30這兩個時鐘信號，因為它們會由設計軟件自動定義。這兩個時鐘也稱為自動生成時鐘。

3. 約束dac_clk
連接到端口dac_sck的時鐘信號是內部時鐘CLK_30的副本。該信號被外部DAC解讀為時鐘。因此，該信號也必須被定義為時鐘，便于正確描述t4、t5和t6的時間要求。該時鐘即所謂的手動生成時鐘。

4. 約束DAS輸入/FPGA輸出

時間值t4、t5和t6描述了外部模塊的setup/hold要求。這些要求使用 set_output_delay約束進行描述。

運行兩個時鐘域解決方案的時序分析

時序分析報告顯示了兩個時鐘信號CLK_120和CLK_30之間的關系。

注意CLK_120和CLK_30的跨時鐘域參數，反之亦然。這正是我們所期望的。

對輸出信號dac_sync和dac_sdata的分析展示了基于set_output_delay約束實現的setup slack和hold slack。

總結

總之，兩個時鐘域提供了一些功耗方面的優勢，因為設計的一部分以較低的速度運行。此外，時序約束也很容易指定。該項目（dac_2c）可在LEC2索取。欲獲取項目副本，請通過info@lec2-fpga.com與我們聯系。

我們將在下一篇文章中探討單個時鐘域的方法。

Eugen Krassin是萊迪思教育能力中心（LEC2）的總裁兼創始人。