隨著半導(dǎo)體技術(shù)，特別是 FPGA 的發(fā)展，單片芯片的處理能力越來越強(qiáng)。現(xiàn)在單片的處理能力都在 1Tbit 以上。而要處理這么多的數(shù)據(jù)，單靠原來的 LVDS, LVPECL 已經(jīng)無法滿足芯片接口吞吐量的要求。所以，如今越來越多的應(yīng)用都用到高速 SERDES。

XILINX 的 SERDES 作為業(yè)界翹楚，越來越多地被客戶接受并廣泛應(yīng)用。而隨之而來設(shè)計(jì)、調(diào)試問題，也是讓客戶感到害怕的問題。特別是客戶容易對(duì)高速 SERDES 犯怵，碰到問題又無從著手，導(dǎo)致進(jìn)度受阻，壓力倍增。

這是我著手總結(jié) SERDES 設(shè)計(jì)調(diào)試的初衷。

這次主要講 SERDES 復(fù)位設(shè)計(jì)。

復(fù)位的作用

眾所周知，現(xiàn)在主流的 FPGA 上實(shí)現(xiàn)的都是時(shí)序邏輯。時(shí)序邏輯有一個(gè)特點(diǎn)就是前面的狀態(tài)會(huì)影響到后面的狀態(tài)。所以在這種應(yīng)用里，初始狀態(tài)的確定是整個(gè)設(shè)計(jì)里非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。復(fù)位就是用來初始化邏輯狀態(tài)用的。

對(duì)于 SERDES，根據(jù)不同的應(yīng)用，其時(shí)鐘方案是不同的。對(duì)此，SERDES 的狀態(tài)，特別是BUFFER 的狀態(tài)會(huì)受到很大的影響。由于 BUFFER 的讀寫時(shí)鐘有效穩(wěn)定的時(shí)間不同，大致會(huì)引起以下 2 種情況：

1. BUFFER 上下溢出，使得輸入輸出誤碼；

2. 多通道應(yīng)用里，通道間引入偏移，使得各路通道綁定失敗。

所以復(fù)位設(shè)計(jì)必須小心，特別需要和時(shí)鐘方案相匹配，才能給可靠的設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。

7 系列 GTX 的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)

上面說到，復(fù)位應(yīng)該和時(shí)鐘方案相匹配，所以在這里簡單介紹一下 7 系列 GTX/GTH 的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)。

7 系列 SERDES 是以 QUAD 為單位的。在一個(gè) QUAD 里，有

a) GTX/GTH： 一個(gè) QUAD 里有 4 個(gè) SERDES；

b) 2 個(gè)參考鐘：它們可以連到任意一個(gè) PLL 上。而且可以給上下相鄰的 QUAD 提供參考鐘；

c) CPLL：這是每路 GTX/GTH 都有的 PLL。這個(gè) C 是指 Channel；

d) QPLL：每個(gè) QUAD 內(nèi)的 SERDES 共享的 PLL。這個(gè) Q 是指 QUAD。

QPLL 和 CPLL 可以供到每個(gè) SERDES 的發(fā)（TX）和收（RX）。在 SERDES 里有TX/RXSYSCLKSEL[1:0]端口選擇使用哪個(gè)時(shí)鐘源。

復(fù)位設(shè)計(jì)的案例

下面，根據(jù)不同的時(shí)鐘方案，會(huì)列出一些復(fù)位的方法。

首先需要提醒的一點(diǎn)是：對(duì)于 7 系列的 SERDES， bit 文件下載完（CONFIGDONE 拉高）后的500ns 時(shí)間內(nèi)的復(fù)位是無效的。SERDES 需要的復(fù)位是脈沖。所以 FPGA 配置完成后 500ns 后復(fù)位信號(hào)才能拉高。

如果在 500ns 之前就拉高，那是無效的。需要在后面在有一個(gè)正脈沖才行。

關(guān)于這個(gè)問題，在 XINLIX 官網(wǎng)上有 AR43482 作說明。

另外相對(duì)于以前的 SERDES，在 7 系列 SERDES 里多了 2 個(gè)信號(hào)：TXUSERRDY 和 RXUSERRDY。

這 2 個(gè)信號(hào)是用來控制何時(shí)進(jìn)行 PCS 復(fù)位的。

SERDES 的順序復(fù)位是指 GTXTXRESET 或 GTXRXRESET 有復(fù)位脈沖時(shí)，SERDES 會(huì)進(jìn)行從 PMA一直到 PCS 的復(fù)位，最后把 TXRESETDONE 或 RXRESETDONE 拉高。

PMA 和 PCS 復(fù)位涵蓋的范圍見下表

整個(gè)復(fù)位順序都是從 PMA 到 PCS 的。具體流程可以參考 UG476。

在完成 PMA 復(fù)位后進(jìn)入 PCS 復(fù)位是，TXUSERRDY 和 RXUSERRDY 就是開關(guān)。只有當(dāng)它們?yōu)楦邥r(shí)才能進(jìn)入 PCS 復(fù)位，繼而完成整個(gè) SERDES 的復(fù)位。TXUSERRDY 和 RXUSERRDY 的含義是用戶鐘 TXUSRCLK/TXUSRCLK2 和RXUSRCLK/RXUSRCLK2 都穩(wěn)定了。這個(gè)時(shí)候可以進(jìn)行 PCS復(fù)位了。

TX 復(fù)位案例

一、 TXOUTCLKSEL = TXOUTCLKPMA

這種情形下，TXOUTCLK 的頻率是(LINE RATE)/(INTERNAL DATAWIDHT)，它會(huì)隨著線速度的變化而變化。

對(duì)于 7 系列 SERDES，內(nèi)部位寬可以有 16/20 bit （即 2 字節(jié)）和 32/40bit（即 4 字節(jié)）2中選擇。跟邏輯接口的外部位寬有 2、4、8 字節(jié) 3 種選擇。由于邏輯可以跑到 368MHz以上。所以對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用，TXUSRCLK/TXUSRCLK2 是可以同頻的。此時(shí)，其時(shí)鐘框圖就會(huì)如下：

這種復(fù)位方案里，有一些要求：

? SERDES 工作在順序復(fù)位模式下（工具產(chǎn)生的代碼默認(rèn)模式）

? RESETOVRD = 1’b0

? GTRESETSEL = 1’b0

? QPLLRESET 或 CPLLRESET 需要脈沖復(fù)位

? 至少一個(gè)參考鐘周期

? QPLLLKDET 或 CPLLLKDET 的上升沿上產(chǎn)生 GTXTXRESET 脈沖，啟動(dòng) SERDES 進(jìn)入順序復(fù)位

? 同時(shí)，把 QPLLLKDET/CPLLLKDET 連到 TXUSERRDY

? 最好能延時(shí) 2～3us 以保證 TXOUTCLK 穩(wěn)定。

? 在 TXRESETDONE 的第一個(gè)上升沿做 TXPCSRESET 的復(fù)位

? 對(duì)單路應(yīng)用不需要這個(gè)復(fù)位。

? 對(duì)于多路需要對(duì)齊輸出的應(yīng)用，需要把所有 TXRESETDONE 都拉高后做TXPCSRESET 復(fù)位以減少各路的輸出偏移

二、TXOUTCLKSEL = TXOUTCLKPMA，用到 MMCM

這個(gè)和上面一個(gè)的差別就是需要用到 MMCM。由于 MMCM 的輸入是 TXOUTCLK，必須等到 TXOUTCLK 穩(wěn)定后才能釋放復(fù)位；而 MMCM 給 SERDES 提供 TXUSRCLK 和TXUSRCLK2，所以 TXUSERRDY 必須在 MMCM 穩(wěn)定后才能拉高。

同樣，對(duì)于多通道應(yīng)用，需要在所有 TXRESETDONE拉高后給一個(gè) TXPCSRESET 脈沖，這樣可以減少發(fā)送數(shù)據(jù)通道間的偏移。

三、TXOUTCLKSEL = TXPLLREFCLK_DIV1/2

這種應(yīng)用和第一種不同之處在于TXOUTCLK的時(shí)鐘來源不同，這里是來自于參考鐘。所以它會(huì)在 QPLL 鎖定之前就穩(wěn)定下來。當(dāng)然我們還是可以借用第一種復(fù)位方法。只是QPLLLKDET/CPLLLKDET 送到 TXUSERRDY 時(shí)不需要延時(shí)去等待內(nèi)部時(shí)鐘穩(wěn)定。

四、TXOUTCLKSEL = TXPLLREFCLK_DIV1/2，用到 MMCM同樣，這種應(yīng)用可以參考第二種。

當(dāng)然由于 MMCM 的輸入時(shí)鐘是參考鐘，所以它的復(fù)位釋放也不需要等待 PLL 鎖定。所以我們也可以用下面的復(fù)位方法

當(dāng)然由于 MMCM 復(fù)位要求，QPLLRESET/CPLLRESET 的脈寬需要大于 3 個(gè)參考鐘周期。

五、TXBUFFER BYPASS 情形

對(duì)于 CPRI 等有延時(shí)精度要求的應(yīng)用，需要把 TXBUFFER 旁路。這時(shí)需要在上面的復(fù)位之外還要有相位對(duì)齊電路的復(fù)位。

要能進(jìn)行相位對(duì)齊，對(duì)時(shí)鐘有一定要求：

1. 同源同頻。這里只是做相位對(duì)齊，頻率必須相同；

2. 時(shí)鐘穩(wěn)定。只有時(shí)鐘穩(wěn)定后才能進(jìn)行相位對(duì)齊操作。

所以相對(duì)于前面使能 TXBUFFER 的應(yīng)用的復(fù)位，在 TXRESETDONE 拉高后，做一次相位對(duì)齊操作就可以了。

這里需要注意的一點(diǎn)是，TXDLYSRESET 的脈寬必須小于 50ns。

整個(gè)復(fù)位的波形圖如下

和前面不同的是，這里用 TXPHALIGNDONE 作為后續(xù)邏輯的復(fù)位信號(hào)。這是因?yàn)檫@個(gè)信號(hào)拉高了，表示 SERDES 的初始化已經(jīng)完成，可以工作了。而前面的幾種應(yīng)用，TXRESETDONE 的拉高是 SERDES 能夠正常發(fā)送數(shù)據(jù)的標(biāo)志。

RX 復(fù)位設(shè)計(jì)

這里只包括用到 RXOUTCLK 時(shí)的復(fù)位。如果是用 TXOUTCLK 作為 RXUSRCLK/RXUSRCLK2時(shí)鐘源的情形，可以參考 TX 復(fù)位設(shè)計(jì)部分。

RX 的結(jié)構(gòu)比 TX 要復(fù)雜。相對(duì)應(yīng)的復(fù)位也會(huì)復(fù)雜一些。主要原因是 RXOUTCLK 的源頭可能是 CDR 送出的恢復(fù)鐘。也就是說，需要 CDR 穩(wěn)定工作后才能有穩(wěn)定的 RXOUTCLK 輸出。所以后續(xù)的復(fù)位需要與此相配。

CDR 在有信號(hào)送入時(shí)，會(huì)跟蹤上輸入信號(hào)的頻率、相位；當(dāng)沒有信號(hào)送入時(shí)，它會(huì)慢慢鎖到本地時(shí)鐘上，直到又有信號(hào)送入。這個(gè)不是躍變的過程，而是慢慢變化的。這里不會(huì)引入恢復(fù)時(shí)鐘的跳變。

一、RXOUTCLKSEL = RXOUTCLKPMA

這種情形下，RXOUTCLK 的源頭就是 CDR 的恢復(fù)鐘。

由于初始化復(fù)位時(shí)，我們還是用 QPLLLKDET/CPLLLKDET 作為 RXUSERRDY 的輸入，這樣在 PLL 鎖定后可以完成 PMA/PCS 的初始化。

但是在工作起來后，CDR 會(huì)鎖到輸入信號(hào)上。在跟蹤過程中，恢復(fù)鐘（也就是RXBUFFER 的寫時(shí)鐘）會(huì)有個(gè)漸變的過程。這個(gè)可能會(huì)導(dǎo)致 RXBUFFER 溢出。所以用RXBUFSTATUS[2]送到 RXBUFRESET。這樣在 RXBUFFER 溢出時(shí)復(fù)位 RXBUFFER。

對(duì)于多通道應(yīng)用，也是需要在所有 RXRESETDONE 都拉高時(shí)復(fù)位 RXBUFFRESET 一下，這樣可以減少各路的偏移。當(dāng)然，任意一路有前面說到的溢出，也需要復(fù)位所有的RXBUFFER。

二、RXOUTCLKSEL = RXOUTCLKPMA，且用到 MMCM

這個(gè)情形下，我們需要注意的就是 MMCM/PLL 輸入時(shí)鐘源于 CDR 恢復(fù)時(shí)鐘并給RXPCS 提供用戶時(shí)鐘。所以需要

1. MMCM 必須在 PLL 鎖定后延時(shí)一段時(shí)間釋放復(fù)位，這其中的時(shí)間就是 CDR 鎖定的時(shí)間。

2. MMCM 的 LOCK 信 號(hào) 控 制 RXUSERRDY ， 以 保 證 RXPCS 的 復(fù) 位 是 在RXUSRCLK/RXUSRCLK2 都穩(wěn)定后釋放的。

這種應(yīng)用里，如果外部輸入信號(hào)丟失，比如拔掉再插上光纖，那需要對(duì)接收側(cè)做整體復(fù)位以保證接收的可靠。這時(shí)整個(gè)時(shí)鐘都會(huì)重新復(fù)位一遍。

三、RXOUTCLKSEL = RXPLLREFCLK_DIV1/2

這種情形，RXUSRCLK/RXUSRCLK2 的源頭都是參考鐘，所以和 TXOUTCLKSEL = TXPLLREFCLKDIV1/2 的情形是一樣的。在現(xiàn)實(shí)中會(huì)合并用 TXOUTCLK 來驅(qū)動(dòng) TXUSRCLK 和RXUSRCLK。

所以復(fù)位的方法參考 TX。

四、RXOUTCLKSEL = RXPLLREFCLK_DIV1/2, 且用到 MMCM
這 種 情 形 ， RXUSRCLK/RXUSRCLK2 的 源 頭 都 是 參 考 鐘 ， 所 以 和 TXOUTCLKSEL = TXPLLREFCLKDIV1/2 + MMCM 的情形是一樣的。在現(xiàn)實(shí)中會(huì)合并用 TXOUTCLK 通過MMCM 來驅(qū)動(dòng) TXUSRCLK 和 RXUSRCLK。

所以復(fù)位的方法參考 TX。這里畫出 2 中復(fù)位連接圖：

五、RXBUFFER BYPASS

RXUBFFER BYPASS 模式下，由相位對(duì)齊電路實(shí)現(xiàn) RXCLK 和 RXUSRCLK 的相位對(duì)齊。此時(shí) RXUSRCLK 的源頭必須來自 RXOUTCLKPMA， 而 RX_XCLK_SEL = RXUSR。

在大多數(shù)情況下，RX 工作在 SINGLE LANE 模式下。所以 RXPHASEALINGMENT 只要工作在 AUTO 模式下就可以了。

對(duì)于 GTX，RXPHASEALIGNMENT 的復(fù)位連接和波形如下：

RXPHALIGNDONE 作為 RX 邏輯的復(fù)位信號(hào)。

對(duì)于 GTH，RXPHASEALIGNMENT 的復(fù)位連接和波形如下：

RXSYNCDONE 作為 RX 邏輯的復(fù)位信號(hào)。

同樣的要求：

1. RXDLYSRESET 的脈寬不能超過 50ns。

2. 相位對(duì)齊操作必須在 RXRESETDONE 拉高后進(jìn)行。

總結(jié)

對(duì)于時(shí)序系統(tǒng)，復(fù)位的設(shè)計(jì)會(huì)極大影響到系統(tǒng)的工作結(jié)果。對(duì)于 7 系列的 SERDES，其重要性是不言而喻的。這里列舉的是一些應(yīng)用場景以及對(duì)應(yīng)的復(fù)位設(shè)計(jì)。希望對(duì)大家有幫助。