SERDES应用场景以及对应的复位设计

SERDES应用场景以及对应的复位设计随着半导体技术，特别是FPGA的发展，单片芯片的处理能力越来越强。现在单片的处理能力都在1Tbit以上。而要处理这么多的数据，单靠原来的LVDS,LVPECL已经无法满足芯片接口吞吐量的要求。所以，如今越来越多的应用都用到高速SERDES。XILINX的SERDES作为业界翘楚，越来越多地被客户接受并广泛应用。而随之而来设计、调试问题，也是让客户感到害怕的问题。特别是客户容易对高速SERDES犯怵，碰到问题又无从着手，导致进度受阻，压力倍增。这是我着手总结SERDES设计调试的初衷。这次主要讲SERDES复位设计。复位的作用众所周知，现在主流的FPGA上实现的都是时序逻辑。时序逻辑有一个特点就是前面的状态会影响到后面的状态。所以在这种应用里，初始状态的确定是整个设计里非常重要的一个环节。复位就是用来初始化逻辑状态用的。对于SERDES，根据不同的应用，其时钟方案是不同的。对此，SERDES的状态，特别是BUFFER的状态会受到很大的影响。由于BUFFER的读写时钟有效稳定的时间不同，大致会引起以下2种情况：1.BUFFER上下溢出，使得输入输出误码；2.多通道应用里，通道间引入偏移，使得各路通道绑定失败。所以复位设计必须小心，特别需要和时钟方案相匹配，才能给可靠的设计打下良好的基础。7系列GTX的时钟结构上面说到，复位应该和时钟方案相匹配，所以在这里简单介绍一下7系列GTX/GTH的时钟结构。7系列SERDES是以QUAD为单位的。在一个QUAD里，有a)GTX/GTH：一个QUAD里有4个SERDES；b)2个参考钟：它们可以连到任意一个PLL上。而且可以给上下相邻的QUAD提供参考钟；c)CPLL：这是每路GTX/GTH都有的PLL。这个C是指Channel；d)QPLL：每个QUAD内的SERDES共享的PLL。这个Q是指QUAD。QPLL和CPLL可以供到每个SERDES的发（TX）和收（RX）。在SERDES里有TX/RXSYSCLKSEL[1:0]端口选择使用哪个时钟源。复位设计的案例下面，根据不同的时钟方案，会列出一些复位的方法。首先需要提醒的一点是：对于7系列的SERDES，bit文件下载完（CONFIGDONE拉高）后的500ns时间内的复位是无效的。SERDES需要的复位是脉冲。所以FPGA配置完成后500ns后复位信号才能拉高。如果在500ns之前就拉高，那是无效的。需要在后面在有一个正脉冲才行。关于这个问题，在XINLIX官网上有AR43482作说明。另外相对于以前的SERDES，在7系列SERDES里多了2个信号：TXUSERRDY和RXUSERRDY。这2个信号是用来控制何时进行PCS复位的。SERDES的顺序复位是指GTXTXRESET或GTXRXRESET有复位脉冲时，SERDES会进行从PMA一直到PCS的复位，最后把TXRESETDONE或RXRESETDONE拉高。PMA和PCS复位涵盖的范围见下表整个复位顺序都是从PMA到PCS的。具体流程可以参考UG476。在完成PMA复位后进入PCS复位是，TXUSERRDY和RXUSERRDY就是开关。只有当它们为高时才能进入PCS复位，继而完成整个SERDES的复位。TXUSERRDY和RXUSERRDY的含义是用户钟TXUSRCLK/TXUSRCLK2和RXUSRCLK/RXUSRCLK2都稳定了。这个时候可以进行PCS复位了。TX复位案例一、TXOUTCLKSEL=TXOUTCLKPMA这种情形下，TXOUTCLK的频率是(LINERATE)/(INTERNALDATAWIDHT)，它会随着线速度的变化而变化。对于7系列SERDES，内部位宽可以有16/20bit（即2字节）和32/40bit（即4字节）2中选择。跟逻辑接口的外部位宽有2、4、8字节3种选择。由于逻辑可以跑到368MHz以上。所以对于大多数的应用，TXUSRCLK/TXUSRCLK2是可以同频的。此时，其时钟框图就会如下：这种复位方案里，有一些要求：?SERDES工作在顺序复位模式下（工具产生的代码默认模式）?RESETOVRD=1’b0?GTRESETSEL=1’b0?QPLLRESET或CPLLRESET需要脉冲复位?至少一个参考钟周期?QPLLLKDET或CPLLLKDET的上升沿上产生GTXTXRESET脉冲，启动SERDES进入顺序复位?同时，把QPLLLKDET/CPLLLKDET连到TXUSERRDY?最好能延时2～3us以保证TXOUTCLK稳定。?在TXRESETDONE的第一个上升沿做TXPCSRESET的复位?对单路应用不需要这个复位。?对于多路需要对齐输出的应用，需要把所有TXRESETDONE都拉高后做TXPCSRESET复位以减少各路的输出偏移二、TXOUTCLKSEL=TXOUTCLKPMA，用到MMCM这个和上面一个的差别就是需要用到MMCM。由于MMCM的输入是TXOUTCLK，必须等到TXOUTCLK稳定后才能释放复位；而MMCM给SERDES提供TXUSRCLK和TXUSRCLK2，所以TXUSERRDY必须在MMCM稳定后才能拉高。同样，对于多通道应用，需要在所有TXRESETDONE拉高后给一个TXPCSRESET脉冲，这样可以减少发送数据通道间的偏移。三、TXOUTCLKSEL=TXPLLREFCLK_DIV1/2这种应用和第一种不同之处在于TXOUTCLK的时钟来源不同，这里是来自于参考钟。所以它会在QPLL锁定之前就稳定下来。当然我们还是可以借用第一种复位方法。只是QPLLLKDET/CPLLLKDET送到TXUSERRDY时不需要延时去等待内部时钟稳定。四、TXOUTCLKSEL=TXPLLREFCLK_DIV1/2，用到MMCM同样，这种应用可以参考第二种。当然由于MMCM的输入时钟是参考钟，所以它的复位释放也不需要等待PLL锁定。所以我们也可以用下面的复位方法当然由于MMCM复位要求，QPLLRESET/CPLLRESET的脉宽需要大于3个参考钟周期。五、TXBUFFERBYPASS情形对于CPRI等有延时精度要求的应用，需要把TXBUFFER旁路。这时需要在上面的复位之外还要有相位对齐电路的复位。要能进行相位对齐，对时钟有一定要求：1.同源同频。这里只是做相位对齐，频率必须相同；2.时钟稳定。只有时钟稳定后才能进行相位对齐操作。所以相对于前面使能TXBUFFER的应用的复位，在TXRESETDONE拉高后，做一次相位对齐操作就可以了。这里需要注意的一点是，TXDLYSRESET的脉宽必须小于50ns。整个复位的波形图如下和前面不同的是，这里用TXPHALIGNDONE作为后续逻辑的复位信号。这是因为这个信号拉高了，表示SERDES的初始化已经完成，可以工作了。而前面的几种应用，TXRESETDONE的拉高是SERDES能够正常发送数据的标志。RX复位设计这里只包括用到RXOUTCLK时的复位。如果是用TXOUTCLK作为RXUSRCLK/RXUSRCLK2时钟源的情形，可以参考TX复位设计部分。RX的结构比TX要复杂。相对应的复位也会复杂一些。主要原因是RXOUTCLK的源头可能是CDR送出的恢复钟。也就是说，需要CDR稳定工作后才能有稳定的RXOUTCLK输出。所以后续的复位需要与此相配。CDR在有信号送入时，会跟踪上输入信号的频率、相位；当没有信号送入时，它会慢慢锁到本地时钟上，直到又有信号送入。这个不是跃变的过程，而是慢慢变化的。这里不会引入恢复时钟的跳变。一、RXOUTCLKSEL=RXOUTCLKPMA这种情形下，RXOUTCLK的源头就是CDR的恢复钟。由于初始化复位时，我们还是用QPLLLKDET/CPLLLKDET作为RXUSERRDY的输入，这样在PLL锁定后可以完成PMA/PCS的初始化。但是在工作起来后，CDR会锁到输入信号上。在跟踪过程中，恢复钟（也就是RXBUFFER的写时钟）会有个渐变的过程。这个可能会导致RXBUFFER溢出。所以用RXBUFSTATUS[2]送到RXBUFRESET。这样在RXBUFFER溢出时复位RXBUFFER。对于多通道应用，也是需要在所有RXRESETDONE都拉高时复位RXBUFFRESET一下，这样可以减少各路的偏移。当然，任意一路有前面说到的溢出，也需要复位所有的RXBUFFER。二、RXOUTCLKSEL=RXOUTCLKPMA，且用到MMCM这个情形下，我们需要注意的就是MMCM/PLL输入时钟源于CDR恢复时钟并给RXPCS提供用户时钟。所以需要1.MMCM必须在PLL锁定后延时一段时间释放复位，这其中的时间就是CDR锁定的时间。2.MMCM的LOCK信号控制RXUSERRDY，以保证RXPCS的复位是在RXUSRCLK/RXUSRCLK2都稳定后释放的。这种应用里，如果外部输入信号丢失，比如拔掉再插上光纤，那需要对接收侧做整体复位以保证接收的可靠。这时整个时钟都会重新复位一遍。三、RXOUTCLKSEL=RXPLLREFCLK_DIV1/2这种情形，RXUSRCLK/RXUSRCLK2的源头都是参考钟，所以和TXOUTCLKSEL=TXPLLREFCLKDIV1/2的情形是一样的。在现实中会合并用TXOUTCLK来驱动TXUSRCLK和RXUSRCLK。所以复位的方法参考TX。四、RXOUTCLKSEL=RXPLLREFCLK_DIV1/2,且用到MMCM

这种情形，RXUSRCLK/RXUSRCLK2的源头都是参考钟，所以和TXOUTCLKSEL=TXPLLREFCLKDIV1/2+MMCM的情形是一样的。在现实中会合并用TXOUTCLK通过MMCM来驱动TXUSRCLK和RXUSRCLK。所以复位的方法参考TX。这里画出2中复位连接图：五、RXBUFFERBYPASSRXUBFFERBYPASS模式下，由相位对齐电路实现RXCLK和RXUSRCLK的相位对齐。此时RXUSRCLK的源头必须来自RXOUTCLKPMA，而RX_XCLK_SEL=RXUSR。在大多数情况下，RX工作在SINGLELANE模式下。所以RXPHASEALINGMENT只要工作在AUTO模式下就可以了。对于GTX，RXPHASEALIGNMENT