ZHCA904A January 2019 – April 2021 SN3257-Q1 , SN74CBTLV3257 , TMUX1511 , TMUX1574 , TMUX1575 , TS3A27518E , TS3A27518E-Q1
1 應用簡介
基于現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 的設計需要具有高效的存儲器，以便能夠運行各種應用。盡管 FPGA 具有內(nèi)置存儲器，但高性能系統(tǒng)（例如服務器、以太網(wǎng)交換機、SSD 和硬件加速器等）會需要額外存儲器以滿足其最低存儲容量要求。該外部存儲器可以是易失性或非易失性存儲器，具體取決于斷電時是否需要儲存數(shù)據(jù)。非易失性存儲器（例如閃存）在斷電時也能保存數(shù)據(jù)，因而非常適合儲存開機啟動代碼和 FPGA 配置數(shù)據(jù)。FPGA 通過由多路復用器 (mux) 進行路由的串行外設接口 (SPI) 協(xié)議與外部存儲器通信。
圖 1-1 顯示了多路復用器如何路由 SPI 信號，讓用戶可以通過 FPGA 或外部標頭等多種方式訪問閃存。標頭允許外部訪問閃存，以調試開機啟動代碼及更新其他儲存的固件。
圖 1-1 外部訪問閃存圖 1-2 顯示了 FPGA 如何通過擴展多路復用器存儲器訪問多個外部存儲器。盡管 SPI 協(xié)議允許主器件與多個從器件直接連接，但多路復用器對于降低總線容量以及當僅有一個主器件片選位時為連接提供方便至關重要。多路復用器具有雙向功能，因而一個多路復用器可以同時應對 圖 1-1 和 圖 1-2 中的用例情景。
圖 1-2 FPGA 訪問多個閃存https://www.ti.com/switches-multiplexers/analog/products.html#p1143=1:1%20SPST;2:1%20SPDT&p480=10;2;4;6;8&p2192=Powered-off%20protection圖 1-3除了提供一條替代的內(nèi)存訪問路徑外，關斷保護多路復用器還對 FPGA 和外部存儲器進行隔離（如 所示），防止系統(tǒng)出現(xiàn)電源時序問題。要了解有關此應用的更多信息，請參閱《利用關斷保護信號開關消除電源排序》。
圖 1-3 隔離 FPGA 和外部存儲器SPI 協(xié)議
SPI 是 FPGA 和 MCU 與各種外設（例如閃存、傳感器、ADC 和 SD 卡）進行近距離通信的一種同步串行接口。SPI 總線使用的是推挽驅動器。與 I2C 和 SMBus 使用的開漏驅動器相比，它支持更高的時鐘頻率 (>75MHz)，并具有更低的功耗 (<1mA)。與使用兩個通道（一個數(shù)據(jù)通道、一個時鐘信號通道）的 I2C 相比，SPI 協(xié)議通常使用四個通道（兩條數(shù)據(jù)線路、一個時鐘信號通道和一個片選位）。為了提高吞吐量，四通道 SPI（四個數(shù)據(jù)通道）和八通道 SPI（八個數(shù)據(jù)通道）協(xié)議在使用外部存儲器的高性能系統(tǒng)中越來越常見。有關 SPI 總線的更多信息，請參閱《模擬工程師口袋參考書》中從第 111 頁開始的內(nèi)容。
選擇適合 SPI 應用的多路復用器
對 SPI 數(shù)字信號而言最重要的多路復用器參數(shù)是電壓、通道數(shù)和帶寬。要選擇合適的多路復用器電壓，只需使 FPGA 或 MCU I/O 電壓與推薦的多路復用器 I/O 電壓一致即可。多路復用器通道數(shù)由 SPI 協(xié)議決定；常規(guī) SPI 協(xié)議需要四個通道（兩條數(shù)據(jù)線路、一條時鐘信號線路和一條片選線路）。帶寬是基于接通狀態(tài)電容 (CON) 計算多路復用器對時鐘信號的寄生效應的一種簡單方法。對于大多數(shù)系統(tǒng)而言，足夠多路復用器帶寬的計算方法是用最大基礎時鐘頻率乘以三倍。例如，如果最大 SPI 時鐘信號是 75MHz，則建議使用具有三倍帶寬 (225MHz) 的多路復用器。
推薦的多路復用器帶寬 = 時鐘頻率 x 3
圖 1-4 展示了 SN74CBTLV3257（200MHz 帶寬）如何傳遞 75MHz SPI 時鐘信號。頂部波形顯示供參參照的時鐘信號，而底部波形顯示經(jīng)由多路復用器進行傳遞后的輸出時鐘信號。如上圖所示，寄生多路復用器 CON 使時鐘上升沿和下降沿平緩。雖然大多數(shù) SPI 應用不大受這一延遲的影響，但它顯示了多路復用器帶寬對 SPI 時鐘信號的影響。
圖 1-4 通過 SN74CBTLV3257 傳遞 75MHz
時鐘信號要縮短上升和下降時間，可以在同一個 SPI 應用中使用引腳對引腳 TMUX1574（2GHz 帶寬）。圖 1-5 展示了 TMUX1574 如何使用相同的 75MHz SPI 時鐘信號運行。如底部波形所示，多路復用器對輸出 SPI 時鐘信號幾乎沒有影響。其原因在于 CON 能夠使 75MHz 時鐘信號在傳遞過程中幾乎不產(chǎn)生失真。使用具有較低 CON 的多路復用器會導致帶寬增加，這對于電路板布局或連接器會額外增加電容的系統(tǒng)至關重要。
圖 1-5 通過 TMUX1574 傳遞 75MHz
時鐘信號TI SPI 多路復用器解決方案
在高性能系統(tǒng)中，F(xiàn)PGA 和 MCU 會需要借助外部存儲器擴展存儲容量。該外部存儲器可以是易失性或非易失性存儲器（例如閃存），用于在斷電時儲存數(shù)據(jù)。該功能使得閃存非常適合儲存開機啟動代碼、FPGA 配置數(shù)據(jù)和媒體文件。FPGA 和 MCU 通過由多路復用器路由的 SPI 協(xié)議與這些閃存進行通信。該多路復用器為用戶提供多種訪問閃存的方法，而且都具有關斷保護功能，能夠在電源時序控制期間保護 FPGA 和 MCU。根據(jù) SPI 協(xié)議、信號電壓和帶寬要求，選擇適合應用的多路復用器。為了適用于各種各樣的 SPI 應用，TI 高帶寬多路復用器產(chǎn)品組合支持廣泛的信號電壓，以獲得理想的 SPI 性能。
| 器件 | 配置 | 主要特性 |
|---|---|---|
| TMUX1574 | 2:1，4 通道 | 2GHz 帶寬，低導通電容 (7.5pF)，低導通電阻 (2Ω)，關斷保護，1.8V 邏輯兼容 |
| TMUX1575 | 2:1，4 通道 | 1.3mm x 1.3mm 封裝，1.2V 兼容控制輸入，關斷保護，低導通電容 (10pF)，低導通電阻 (1.7Ω)，1.8GHz 帶寬 |
| TMUX1511 | 1:1，4 通道 | 3GHz 帶寬，低導通電容 (3.3pF)，低導通電阻 (2Ω)，關斷保護，1.8V 邏輯兼容 |
| TS3A27518E | 2:1，6 通道 | 240MHz 帶寬，低導通電阻 (4.4Ω)，關斷保護，1.8V 邏輯兼容 |
參考文獻
- 德州儀器 (TI)：《模擬工程師口袋參考指南》（第五版）
- 德州儀器 (TI)：《利用關斷保護信號開關消除電源時序》
- 德州儀器 (TI)：《使用低導通電容多路復用器改善穩(wěn)定性問題》
- 德州儀器 (TI)：《1.8V 邏輯多路復用器和信號》