基于FPGA上的SERDES硬件接口設(shè)計(jì)

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(guò)去幾年中已經(jīng)看到有內(nèi)置SERDES的FPGA器件系列，但多見(jiàn)于高端FPGA芯片中，而且價(jià)格昂貴。

本方案是以CME最新的低功耗系列FPGA的HR03為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)8/10b的SerDes接口，包括SERDES收發(fā)單元，通過(guò)完全數(shù)字化的方法實(shí)現(xiàn)SERDES的CDR（Clock Data Recovery，時(shí)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(diǎn)。

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(cè)器，串并轉(zhuǎn)換器，時(shí)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(guò)來(lái)的字節(jié)信號(hào)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(dòng)時(shí)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(hào)，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(hào)還原為CMOS電平的串行信號(hào)，CDR從串行信號(hào)中抽取時(shí)鐘信息，完成對(duì)串行數(shù)據(jù)的最佳采樣，串并轉(zhuǎn)換利用CDR恢復(fù)的時(shí)鐘，將串行信號(hào)轉(zhuǎn)換成10位的并行數(shù)據(jù)，Comma檢測(cè)器檢測(cè)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(guò)8b/10b解碼，還原為字節(jié)信號(hào)，傳送到上層協(xié)議芯片，完成整個(gè)信息傳輸過(guò)程。

實(shí)際的設(shè)計(jì)中，CDR部分是由純邏輯電路完成的，為設(shè)計(jì)的核心的部分，下面將介紹數(shù)字CDR在HR03的實(shí)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(shí)鐘，然后接收器按照恢復(fù)的時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)位對(duì)齊并通過(guò)comma進(jìn)行字對(duì)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(shí)鐘采樣方法，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程利用PLL產(chǎn)生4個(gè)時(shí)鐘頻率相同，相位相差90度的時(shí)鐘，分別為clk0、clk90、clk180、clk270，這四個(gè)時(shí)鐘輸出完全同步，利用4個(gè)時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，以獲得4倍過(guò)采樣的效果，具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下圖所示：

在數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)時(shí)，將到來(lái)的數(shù)據(jù)分別輸入到四個(gè)觸發(fā)器，分別用4個(gè)不同的相位進(jìn)行采樣，要注意保證從輸入引腳到四個(gè)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(shí)鐘CLK0、CLK90、CLK180、CLK270的上升沿觸發(fā)，按照這樣的方式來(lái)觸發(fā)就可以得到四個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)。這樣就將原始時(shí)鐘周期分成了四個(gè)單獨(dú)的90度的區(qū)域，如果系統(tǒng)時(shí)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(guò)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(wèn)題，因此需對(duì)采樣點(diǎn)作進(jìn)一步的處理。這里可將四個(gè)采樣點(diǎn)通過(guò)進(jìn)一步的觸發(fā)，除掉亞穩(wěn)態(tài)的問(wèn)題，從而使采樣點(diǎn)移到下一個(gè)相同的時(shí)鐘域。通常，亞穩(wěn)態(tài)的去除要經(jīng)過(guò)兩三級(jí)的處理，這就使得在有效數(shù)據(jù)輸出前會(huì)有數(shù)位無(wú)效的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)采樣的第一個(gè)階段，電路檢測(cè)數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)的傳輸。當(dāng)檢測(cè)到有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，對(duì)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(lái)指示采樣點(diǎn)有數(shù)據(jù)傳輸。

因?yàn)樽罱K有四個(gè)輸出，所以需要一個(gè)復(fù)用器來(lái)選擇數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)與采樣時(shí)鐘的對(duì)應(yīng)關(guān)系如上圖所示，其對(duì)應(yīng)關(guān)系分為4種情況，每種情況下對(duì)應(yīng)一個(gè)最佳的采樣時(shí)鐘，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)邊沿位置信息的判斷，來(lái)確定哪路時(shí)鐘為最佳采樣時(shí)鐘，并利用復(fù)用器從選定的時(shí)鐘域中選擇數(shù)據(jù)位，例如檢測(cè)電路確定從時(shí)鐘域A中采樣的數(shù)據(jù)有效，那么將時(shí)鐘域Ａ中采樣的數(shù)據(jù)通過(guò)輸出端輸出。

3 結(jié)束語(yǔ)：

通過(guò)對(duì)純數(shù)字電路的CDR電路，在沒(méi)有硬核的支持下，完成了FPGA上SERDES的接口設(shè)計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)的傳輸測(cè)試，在HR03的FPGA上，可完成100~200Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。