關(guān)于FPGA芯片的SERDES接口的電路設(shè)計方案

隨著FPGA發(fā)展到今天，SerDes(Serializer-Deserializer)基本上是標(biāo)配了。從PCI到PCI Express, 從ATA到SATA，從并行ADC接口到JESD204, 從RIO到Serial RIO,…等等，都是在借助SerDes來提高性能。SerDes是非常復(fù)雜的數(shù)?；旌显O(shè)計，用戶手冊的內(nèi)容只是描述了森林里面的一棵小樹,并不能夠解釋SerDes是怎么工作的。SerDes怎么可以沒有傳輸時鐘信號?什么是加重和均衡?抖動和誤碼是什么關(guān)系?各種抖動之間有什么關(guān)系?本篇小文試著從一個SerDes用戶的角度來理解SerDes是怎么設(shè)計的, 由于水平有限,一定有不夠準(zhǔn)確的地方,希望對剛開始接觸SerDes的工程師有所幫助。

串行接口常用于芯片至芯片和電路板至電路板之間的數(shù)據(jù)傳輸。隨著系統(tǒng)帶寬不斷增加至多吉比特范圍，并行接口已經(jīng)被高速串行鏈接，或SERDES (串化器/ 解串器)所取代。起初， SERDES 是獨(dú)立的ASSP 或ASIC 器件。在過去幾年中已經(jīng)看到有內(nèi)置SERDES 的FPGA 器件系列，但多見于高端FPGA芯片中，而且價格昂貴。

本方案是以CME最新的低功耗系列FPGA的HR03為平臺，實現(xiàn)8/10b的SerDes接口，包括SERDES收發(fā)單元，通過完全數(shù)字化的方法實現(xiàn)SERDES的CDR(Clock Data Recovery，時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù))，完成100~200Mhz的板間SERDES單通道通信，該SERDES接口方案具有成本低、靈活性高、研發(fā)周期短等特點。

1 硬件接口

硬件的接口如上圖所示，主要包括發(fā)送與接收模塊。

發(fā)送模塊包括8b/10b編碼器，并串轉(zhuǎn)換器，鎖相環(huán)(PLL)頻率合成器和發(fā)送器，接收模塊包括 8b/10b解碼器，Comma 檢測器，串并轉(zhuǎn)換器，時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)器(CDR)和接收器。

8b/10b編碼器用于將從上層協(xié)議芯片發(fā)送過來的字節(jié)信號映射成直流平衡的 10 位8b/10b 編碼，并串轉(zhuǎn)換用于將 10 位編碼結(jié)果串行化，并串轉(zhuǎn)換所需的高速、低抖動時鐘由鎖相環(huán)提供，發(fā)送器用于將 CMOS 電平的高速串行碼流轉(zhuǎn)換成抗噪聲能力較強(qiáng)的差分信號，經(jīng)背板連接或光纖信道發(fā)送到接收機(jī)。

在接收端，接收器將接收到的低擺幅差分信號還原為 CMOS 電平的串行信號，CDR 從串行信號中抽取時鐘信息，完成對串行數(shù)據(jù)的最佳采樣，串并轉(zhuǎn)換利用 CDR 恢復(fù)的時鐘，將串行信號轉(zhuǎn)換成 10 位的并行數(shù)據(jù)，Comma 檢測器檢測特殊的 Comma 字符，調(diào)整字邊界，字邊界正確的并行數(shù)據(jù)經(jīng)過 8b/10b 解碼，還原為字節(jié)信號，傳送到上層協(xié)議芯片，完成整個信息傳輸過程。

實際的設(shè)計中，CDR部分是由純邏輯電路完成的，為設(shè)計的核心的部分，下面將介紹數(shù)字CDR在HR03的實現(xiàn)方案。

2 數(shù)字CDR

CDR模塊作用是從數(shù)據(jù)中恢復(fù)嵌入的時鐘，然后接收器按照恢復(fù)的時鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)位對齊并通過comma進(jìn)行字對齊。最后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行8b/10b解碼，供系統(tǒng)使用。

本方案采用同頻多相的時鐘采樣方法，具體實現(xiàn)過程利用PLL產(chǎn)生4個時鐘頻率相同，相位相差90度的時鐘，分別為clk0、clk90、clk180、clk270，這四個時鐘輸出完全同步，利用4個時鐘對數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，以獲得4倍過采樣的效果，具體的實現(xiàn)過程如下圖所示：

在數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)時，將到來的數(shù)據(jù)分別輸入到四個觸發(fā)器，分別用4個不同的相位進(jìn)行采樣，要注意保證從輸入引腳到四個觸發(fā)器的延遲基本一致。

第一列觸發(fā)器的觸發(fā)分別由時鐘CLK0、CLK90、CLK180、CLK270的上升沿觸發(fā)，按照這樣的方式來觸發(fā)就可以得到四個數(shù)據(jù)采樣點。這樣就將原始時鐘周期分成了四個單獨(dú)的90度的區(qū)域，如果系統(tǒng)時鐘為200MHz，上圖所示的電路就相當(dāng)于產(chǎn)生了800MHz 的采樣速率。

僅通過一階的觸發(fā)器，輸出的采樣數(shù)據(jù)存在亞穩(wěn)態(tài)的問題，因此需對采樣點作進(jìn)一步的處理。這里可將四個采樣點通過進(jìn)一步的觸發(fā)，除掉亞穩(wěn)態(tài)的問題，從而使采樣點移到下一個相同的時鐘域。通常，亞穩(wěn)態(tài)的去除要經(jīng)過兩三級的處理，這就使得在有效數(shù)據(jù)輸出前會有數(shù)位無效的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采樣的第一個階段，電路檢測數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)檢測到有數(shù)據(jù)傳輸時，對傳輸數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)數(shù)據(jù)有效后，輸出高電平來指示采樣點有數(shù)據(jù)傳輸。

因為最終有四個輸出，所以需要一個復(fù)用器來選擇數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)與采樣時鐘的對應(yīng)關(guān)系如上圖所示，其對應(yīng)關(guān)系分為4種情況，每種情況下對應(yīng)一個最佳的采樣時鐘，系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)邊沿位置信息的判斷，來確定哪路時鐘為最佳采樣時鐘，并利用復(fù)用器從選定的時鐘域中選擇數(shù)據(jù)位，例如檢測電路確定從時鐘域A中采樣的數(shù)據(jù)有效，那么將時鐘域A中采樣的數(shù)據(jù)通過輸出端輸出。

3 結(jié)束語

通過對純數(shù)字電路的CDR電路，在沒有硬核的支持下，完成了FPGA上SERDES的接口設(shè)計，并通過實驗的傳輸測試，在HR03的FPGA上，可完成100~200Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。