Serdes专题(1)Serdes综述

前言

Lattice FPGA在市场上的份额相对较小，相关的开发经验分享也并不多。多数资料停留在基础操作的介绍，缺乏深入的实战总结。而在实际项目中，我逐渐体会到 Lattice 在 SerDes + 低功耗 + 高性价比 方面的独特优势。基于这些经验，我希望把自己的Serdes实战过程记录下来，侧重通过类比的方式达到让读者理解的目的。与大家共同交流学习，一起成长进步。

1. 什么是Serdes？

SerDes 是 Serializer/Deserializer 的缩写，一般译为串并转换器。它是一种高速接口电路，主要功能是串并转换。（概念）在FPGA里面，SerDes 通常是 硬核（硬件资源），比如 Xilinx 的 GTP/GTY，Intel 的 H-Tile，Lattice 的PCS块。这个硬核包括一些通用的部分，比如PLL（锁相环）用来产生高速串行时钟、还有CDR（Clock Data Recovery）从接收到的数据流里恢复时钟、还有8b/10b 编码单元，保证直流平衡和时钟提取。通用的部分基本一致，但有些细节不同厂商.还是有些差异。与xilinx serdes相比，IP的形式，底层的结构，用户的信号，约定俗称的叫法上都有些区别。
从更为宽泛的角度， SerDes 是把宽并行数据转成高速串行数据并可靠传输的核心技术，广泛应用于各种高速接口和通信系统。数据传输技术在并行传输上遇到引脚资源占用较多，数据到达时间难以对齐，并行线容易收到干扰等困难，最快的并行传输，源同步模型可能就是LVDS传输，也只有不到1Gbps的传输速率。随着技术发展，渐渐从源同步发展到了自同步模型，高速串行技术迎来崛起。所谓自同步就是不再有单独的时钟线，而是在数据中添加时钟信息，接收端采用CDR技术恢复，也就是Serdes技术。
从更贴切的工作场景看，项目方案讨论时，提到的“走Serdes”即通过FPGA的Serdes硬核传输数据。在xilinx中，GT称之为串行收发器，通常等同于Serdes。而在Lattice中，更愿意把PCS与Serdes等同。

2. ECP3的Serdes协议栈

如图所示，LatticeECP3™ FPGA系列结合了高性能FPGA结构、高性能I/O和多达16个通道带有相应的物理编码子层（Physical Coding Sublayer，PCS）逻辑的嵌入式SERDES，PCS 逻辑可配置用于支持很多业界标准的、高速串行数据传输协议。此外，PCS 还提供旁路模式 （bypass mode），允许使用 8 位或 10 位接口将 SERDES 直接连接到 FPGA 逻辑。

3.专题内容综述

一是一些概念的梳理明确，例如上面从三个角度介绍了准确的Serdes、高速串行技术Serdes以及口语化场景中的Serdes，后面会介绍一些概念之间的关联，例如Serdes与光口，Serdes与8b/10b等，这部分内容自然的穿插在各个章节。二是，外围的光纤和光模块的知识；Serdes是FPGA硬核，与外部器件和其他设备的连接需要一定的物理介质，光纤、背板、连接器、金手指等都是常见的方式，本次项目开发基于光纤，所以着重介绍。内容包括光模块的名称的含义，波长要匹配光模块光纤，光纤是什么接口，是否多模，光纤的颜色都有讲究，还有原理图的设计是有规范的。三是，Serdes底层的原理结构，例如8b/10b编码技术， serdes底层组成各部分的作用，还有Serdes的时钟、复位等。四是，实战的应用层面，例如复位代码结构，如何利用自回环，如何利用寄存器的信息帮助调试等。

4.参考资料的整理

第一部分（本文所附资源中）是可以从官网下载到的文件做了梳理，①ECP3相关的手册，数据手册，sysIO，sysCONFIG等，②PCS相关的资料包括中英文手册各一份，一份SFP的Specification③一个Reset Sequence的代码。第二部分提供付费源码供参考，包括两份官方Demo，其余都是自己写的包括nearloop近端环回例程，FarLoop远端环回例程，SelfLoop两个板子一收一发的例程，添加寄存器的例程等。

5.传送门

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