Serdes专题(3)Lattice Serdes架构

1. serdes架构概述

如图是LatticeECP3-150的框图，图中显示bank、PLL、CONFIG、JTAG等必要部件，它有四个SerdesQuad。LatticeECP3-17只有一个SerdesQuad。每个quad是serdes最小独立单元，需要自己的参考时钟，可通过封装引脚连接到外部时钟源或连接到FPGA内部逻辑的时钟源。器件上的每个quad支持多达4个全双工数据通道，quad 包含 4 个通道，每个通道都有 RX 和 TX 电路，以及一个包含 TX PLL 的辅助通道。根据不同应用，可以使用一个quad内的一至四个PCS通道，例如可以在同一个quad中使用 PCI Express x1@2.5Gbps和千兆以太网通道，也可以在第三个通道上自定义操作字对齐等，lattice保存了这样的灵活性，并且PCS IP核会根据不同的用户设置给出符合标准的接口信号。正是基于此LatticeECP3成为桥接不同标准的理想器件。150 Mbps至 3.2 Gbps用于通用8b10b，10位SERDES和8位SERDES模式。

2.详解PCS内部结构

如图是LatticeECP3 Serdes的内部结构，它被分成了四个部分分别是Serdes、Serdes Bridge、PCS Core、Fpga Bridge。每个部分包含不同的部件。这里按照数据流方向做说明。首先，hdin信号输入之后可以直接输出差分转单端之后的信号到FPGA内部模块，同时输入信号一路进入到信号丢失检测器上，信号丢失阈值由可编程电流源的值决定，电流源值使用rlos_lset[2:0] 控制位来选择，而阈值检测的结果通过rx_los_low状态信号标示给 FPGA。数据流经过EQ进入PD，然后DES，经过WA（位对齐）、LSM对齐状态机、8b/10b编码器，最后经下采样fifo到达用户逻辑。 其中，EQ 就是“Equalizer”（均衡器），主要用来补偿信道传输造成的高频衰减和码间串扰（ISI），由于传输过程中存在PCB、线缆等对信号有频率相关的损耗，在接收端使用均衡技术提升信号高频分量、压低低频分量，使信号恢复原始形状。PD是Phase Detector，通过比较数据的过渡沿 和采样时钟的相位，判断时钟太早还是太晚，供CDR调整时钟。CDR即Clock and Data Recovery（时钟与数据恢复），是上述数据流过程中的时钟来源，用于从数据中恢复时钟，是serdes技术的核心，CDR需要一个参考时钟，后面会讲到。DES则是将输入的串行数据转换成并行数据。WA即word align，执行comma这一字符检测和对齐操作。接收逻辑使用逗号comma字符来对传入数据流进行10位字符的字对齐。字对齐控制由嵌入式链路状态机（LSM）或FPGA控制实现。LSM即Link State Machine,内部有这个模块，也可以自己在FPGA逻辑中写，大体就是每次挪一位直到对齐为止。8b/10b解码器根据规范实现10位到8位的代码转换，并且同时遵守所规定的运行差异规则。当检测到代码违例时，会有信号提示。CTC Fifo使用来进行时钟容限补偿即Clock Tolerance Compensation的模块，执行恢复的接收时钟和锁定的参考时钟之间的时钟速率调整以免fifo的空读和溢出，这种空读或溢出是由于两个不同时钟域的时钟读写造成的，除了此机制没有其他机制避免，但使用CTC意味着链路上会多出延迟。后面这个down fifo主要就是用于不同时钟域之间的读写操作。
关注另一条反向链路，除了均衡器换成预加重之外没有其他什么了，预加重即Pre-emphasis在发送端提前加强信号的高频分量，也会为了让信道的信号质量更好。

3.与xilinx的不同

Serdes的基本原理是一致的通用的，由于各厂商自身生态、战略、芯片工艺有区别，对于工程师来说使用不同的厂家的serdes会有一些不同，这种不同更多是硬件能力决定的。Xilinx不同系列的FPGA集成的serdes能力也有区别，分别是GTH、GTX、GTY等，他们的速度不尽相同，给用户提供了更多的方案，最大速度的支持均比ECP3的3.125G要高。此外，xilinx还支持不同的编码方式，除了8b/10b还有64/66b,128b/130b,提高了传输效率，xilinx还推出了链路层协议aurora与serdes配合使用，用户开发上手更为方便。而从开发角度，xilinx在vivado中集成了眼图测试工具，方便测量信道质量，由于硬件集成了PRBS生成器，所以用于通信链路的性能测试与校验。Xilinx还有更丰富灵活的回环调试设计。相比之下，lattice则更注重能低成本低功率的快速通信，主打性价比依然可以在各行各业中得到大量应用。并且有些serdes手册提供中文版本，对国内开发者更为友好。

4.传送门

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