SERDES應(yīng)用場景以及對應(yīng)的復(fù)位設(shè)計(jì)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。對于SERDES，根據(jù)不同的應(yīng)用，其時(shí)鐘方案是不同的。對此，SERDES的狀態(tài)，特別是BUFFER的狀態(tài)會受到很大的影響。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，會列出一些復(fù)位的方法。首先需要提醒的一點(diǎn)是：對于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。另外相對于以前的SERDES，在7系列SERDES里多了2個(gè)信號：TXUSERRDY和RXUSERRDY。這2個(gè)信號是用來控制何時(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(LINERATE)/(INTERNALDATAWIDHT)，它會隨著線速度的變化而變化。對于7系列SERDES，內(nèi)部位寬可以有16/20bit（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?對單路應(yīng)用不需要這個(gè)復(fù)位。?對于多路需要對齊輸出的應(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、TXBUFFERBYPASS情形對于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齊電路的復(fù)位。要能進(jìn)行相位對齊，對時(shí)鐘有一定要求：1.同源同頻。這里只是做相位對齊，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)行相位對齊操作。所以相對于前面使能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。這是因?yàn)檫@個(gè)信號拉高了，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。相對應(yīng)的復(fù)位也會復(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在有信號送入時(shí)，會跟蹤上輸入信號的頻率、相位；當(dāng)沒有信號送入時(shí)，它會慢慢鎖到本地時(shí)鐘上，直到又有信號送入。這個(gè)不是躍變的過程，而是慢慢變化的。這里不會引入恢復(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會鎖到輸入信號上。在跟蹤過程中，恢復(fù)鐘（也就是RXBUFFER的寫時(shí)鐘）會有個(gè)漸變的過程。這個(gè)可能會導(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，如果外部輸入信號丟失，比如拔掉再插上光纖，那需要對接收側(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)中會合并用TXOUTCLK來驅(qū)動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)中會合并用TXOUTCLK通過MMCM來驅(qū)動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、RXBUFFERBYPASSRXUBFFERBYPASS模式下，由相位對齊電路實(shí)現(xiàn)RXCLK和RXUSRCLK的相位對齊。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SINGLELANE模式下。所以RXPHASEALINGMENT只要工作在AUTO模式下就可以了。對于GTX，RXPHASEALIGNMENT