Xilinx_SERDES动态延迟加解串的使用

本文介绍了Xilinx SELECTIO IP核的ISERDES在动态延迟加解串模式下的工作原理和接口。内容包括BITSLIP功能在不同模式下的使用,如RETIMED模式下需拉低BITSLIP至少3个全局时钟周期来实现字对齐。还给出了ISERDES的控制流程和实验代码示例。

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Xilinx SELECTIO IP核调用配作可变延迟加输入解串工作模式时信号接口如下表所示:
接口名 方向 注释
DATA_IN_FROM_PINS Input 来自外部IO数据输入引脚
DATA_IN_TO_DEVICE Output CLK_OUT同步后的输出数据
DELAY_BUSY Output IODELAY校准和相位变化正在进行忙信号
DELAY_CLK Input FPGA内部逻辑同步时钟,可接CLK_DIV_OUT
DELAY_DATA_CAL Input IODELAY相位校正信号
DELAY_DATA_CE Input 相位增加(减少)使能信号
DELAY_DATA_INC Input 相位增加(高)、减少(低)信号
BITSLIP Input 帧信号对齐命令引脚
CLK_IN Input 外部时钟输入引脚
CLK_DIV_OUT Output 时钟输出,用于FPGA内部逻辑同步信号
IO_RESET Input IO模块复位信号,高电平有效
(在ISE中从Instantation template中例化会有一个CLK_RESET信号,但在实际IP核里并没有连接该信号)
ISERDES有三种模式:NETWORKING、NETWORKING_PIPELINED、RETIMED。其中NETWORKING模式无法启用BITSLIP功能。NETWORKING_PIPELINED模式数据输出并未同步到内部全局时钟,但相比于RETIMED模式其具有更少的延迟。RETIMED模式则数据输出同步至全局时钟模块,由CLK_DIV_OUT同步。
BITSLIP用于字对齐的调整,来自DATA_IN_FROM_PINS的数据为LSB first,在调节过程中BITSLIP拉高一个CLKDIVOUT时钟周期,随后拉低至少一个全局时钟周期,其伪代码为:
After reset
If input frame data not equal to required frame pattern then
BITSLIP<=1;
ELSE
BITSLIP<=0;
BITSLIP_COMPLETE<=1;
Wait at least one global clock cycle
Repeat
值得注意的是,在实验过程中发现,在RETIMED模式下,BITSLIP应当至少拉低三个全局时钟周期方能有效进行字对齐。
对于ISERDES的控制,其控制流程如下:
(1) 上电复位
(2) 拉高DELAY_DATA_CAL进行延迟调节
(3) 等待20个全局时钟周期
(4) 置位IO_RESET一个全局时钟周期
(5) 进行BITSLIP控制字调节,若超时返回(2),完成调节则进行下一步
(6) 周期性进行延迟调节(拉高DELAY_DATA_CAL但无需进行IO_RESET)
实验代码如下
//========================================================================================================================================================
// Company: 
// Engineer: 
// Create Date: 
// Design Name:
// Module Name: 
// Target Device: 
// Tool versions: 
// Description: 
// Dependencies:
// Revision:
// Additional Comments:
//========================================================================================================================================================
module ISERDES_TEST#(
parameter DATA_WIDTH=8
)(
input IO_CLK_IN, //IO输入时钟
input IO_DATA_IN,
input reset_n, //复位信号,低电平有效
output [DATA_WIDTH-1:0] DATA_OUT,
output BITSLIP_COMPLETE //帧校准完成信号
);
//========================================================================================================================================================
//内部变量声明
//========================================================================================================================================================
wire [DATA_WIDTH-1:0] deserdes_data_w; //解串数据
wire sys_clk; //系统时钟
wire iserdes_delay_busy; //ISErDES忙标志
wire iserdes_cal; //延迟校准信号
wire iserdes_bitslip; //帧校准信号
wire iserdes_reset; //iserdes复位信号,高电平有效
reg [DATA_WIDTH-1:0] deserdes_data_r;
//=====================================================
这段代码的意义:#---------------- LOC ------------------- set_property LOC IDELAYCTRL_X0Y5 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *loop_IDELAYCTRL[0].inst_IDELAYCTRL}] set_property LOC IDELAYCTRL_X0Y6 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *loop_IDELAYCTRL[1].inst_IDELAYCTRL}] set_property LOC IDELAYCTRL_X0Y4 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *loop_IDELAYCTRL[2].inst_IDELAYCTRL}] set_property LOC IDELAYCTRL_X0Y1 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *loop_IDELAYCTRL[3].inst_IDELAYCTRL}] set_property LOC IDELAY_X0Y274 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_TL/Loop_Serdes_DATA[0].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y222 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_TL/Loop_Serdes_DATA[1].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y280 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_TL/Loop_Serdes_DATA[2].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y228 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_TL/Loop_Serdes_DATA[3].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y246 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_TL/Loop_Serdes_DATA[4].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y242 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_TL/Loop_Serdes_DATA[5].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y262 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_TL/Loop_Serdes_DATA[6].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y230 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_TL/Loop_Serdes_DATA[7].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y296 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_TL/Loop_Serdes_DATA[8].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y266 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_TL/Loop_Serdes_DATA[9].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y236 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ 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*inst_Serdes_Top_BL/Loop_Serdes_DATA[1].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y218 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BL/Loop_Serdes_DATA[2].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y204 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BL/Loop_Serdes_DATA[3].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y224 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BL/Loop_Serdes_DATA[4].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y210 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BL/Loop_Serdes_DATA[5].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y240 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BL/Loop_Serdes_DATA[6].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y238 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BL/Loop_Serdes_DATA[7].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y202 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ 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*inst_Serdes_Top_BR/Loop_Serdes_DATA[0].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y76 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BR/Loop_Serdes_DATA[1].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y96 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BR/Loop_Serdes_DATA[2].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y90 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BR/Loop_Serdes_DATA[3].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y80 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BR/Loop_Serdes_DATA[4].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y88 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BR/Loop_Serdes_DATA[5].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y82 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ *inst_Serdes_Top_BR/Loop_Serdes_DATA[6].inst_Serdes/IDELAYE2_inst}] set_property LOC IDELAY_X0Y62 [get_cells -hierarchical -filter {NAME =~ 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08-20
<think>首先,用户的问题是:“我想了解或寻找关于SerDes串化解串器的技术信息 请问SerDes 串行解串器工作原理及应用”。这翻译成英文是:“I want to understand or find technical information about SerDes serializers/deserializers. What is the working principle and applications of SerDes serializers/deserializers?” 根据系统级指令: - 所有行内数学表达式必须使用$...$格式。 - 独立公式必须使用$$...$$格式并单独成段。 - LaTeX语法正确。 - 使用中文回答。 - 生成相关问题。 - 在回答中引用的段落末尾自然地添引用标识,例如:[^1]。 - 回答结构清晰,帮助用户逐步解决问题,保证真实可靠。 用户提供的引用是: - [^1]: 关于SerDes的调试能力,如伪随机码流、环回测试等。 - [^2]: SerDes的定义和基本功能,作为串行器和解串器。 - [^3]: SerDes在FPGA中的重要性,涉及高速SerDes、信号集成等。 这些引用是参考,我需要基于用户的问题构建回答。用户的问题是关于SerDes的工作原理和应用。 关键点: - **SerDes定义**:Serializer/Deserializer,用于将并行数据转换为串行数据以便传输,并在接收端将串行数据转换回并行数据。 - **工作原理**:包括串行化(Serializer)和解串行化(Deserializer)过程。串行器将并行数据输入转换为高速串行输出;解串器将串行输入转换为并行输出。 - **应用**:常见于高速数据传输,如PCIe、SATA、USB、以太网等接口。 在回答中,我需要: 1. **结构清晰**:逐步解释工作原理和应用。 2. **使用中文**。 3. **添数学表达式**:如果有相关公式,如传输速率或时钟频率,使用$...$或$$...$$格式。例如,传输速率可以用$R = f_c \times N$表示,其中$R$是速率,$f_c$是时钟频率,$N$是并行宽度。 4. **生成相关问题**:在末尾添相关问题。 5. **引用标识**:如果引用提供的引用内容,在末尾添[^1]、[^2]、[^3]。但引用是基于用户提供的文本,不是外部来源。指令说“引用的段落末尾自然地添引用标识”,所以我应该只在引用那些具体段落时添。 用户提供的引用是: - [^1]: 调试能力等。 - [^2]: SerDes定义和FPGA背景。 - [^3]: SerDes的复杂性。 在回答中,我可以自然地融入这些信息。例如: - 在解释应用时,提到调试能力[^1]。 - 在定义时引用[^2]。 - 在讨论复杂性时引用[^3]。 回答结构: 1. **引言**:定义SerDes。 2. **工作原理**: - 串行化过程。 - 解串行化过程。 - 可能涉及时钟恢复、均衡等。 3. **应用**:列出常见应用场景。 4. **相关问题**:生成3-5个相关问题。 数学表达式:如果有机会,入一些公式。例如: - 串行数据传输速率:$R = \frac{f_c \times N}{M}$,其中$M$是编码方案(如8b/10b)。 - 但SerDes更偏向硬件,数学不多。可以提到眼图测试等概念,但数学表达式可能不直接适用。 确保LaTeX正确:使用$...$ for inline, $$...$$ for display. 最终回答框架: - 开头:解释SerDes是什么。 - 工作原理部分:详细描述。 - 应用部分:列出应用。 - 结尾:相关问题。 生成相关问题: - 基于主题:如优化、性能分析、具体实现等。 - 例如: 1. SerDes如何实现时钟恢复? 2. SerDes在高速通信中的挑战有哪些? 3. SerDes与普通串并转换的区别是什么? 引用标识:在相关句子末尾添[^1]、[^2]、[^3]。例如: - “SerDes通常具有调试能力,如伪随机码流测试[^1]。” - “SerDes是一种串行器和解串器[^2]。” 现在,构建回答。</think>### SerDes 串行解串器工作原理及应用 SerDes(Serializer/Deserializer,串行解串器)是一种关键的高速数据传输技术,用于将并行数据转换为串行数据以便高效传输,并在接收端将串行数据还原为并行数据。它在现代通信系统中广泛应用,尤其在FPGA、ASIC和高速接口设计中。以下我将逐步解释其工作原理和应用,确保内容真实可靠(基于技术标准和行业实践)。回答中涉及数学表达式时,会严格遵守格式要求:行内表达式使用$...$,独立公式使用$$...$$。 #### 1. **SerDes 的基本定义** SerDes 由两部分组成: - **Serializer(串行器)**:将并行输入数据(如多位数据总线)转换为高速串行输出流。 - **Deserializer(解串器)**:将接收到的串行数据流还原为并行输出。 这种技术解决了并行传输在高带宽场景下的时序和信号完整性挑战,例如时钟偏移问题[^2]。SerDes 的核心优势在于通过减少物理连线数,提高数据传输速率和系统集成度。 #### 2. **SerDes 的工作原理** SerDes 的工作原理涉及多个步骤,包括串行化、传输和解串行化,并辅以时钟恢复和信号调理技术。以下是关键过程: - **串行化过程(Serializer)**: 并行数据(例如 $N$ 位宽度)输入到串行器,在内部时钟驱动下,数据被逐位输出为串行流。时钟频率 $f_c$ 决定了传输速率 $R$,公式为: $$R = f_c \times N$$ 其中 $R$ 是比特率(单位:bps),$f_c$ 是时钟频率(单位:Hz),$N$ 是并行数据宽度。例如,在 8b/10b 编码方案中,有效数据速率需考虑编码开销:$R_{\text{有效}} = \frac{8}{10} R$[^1]。串行器通常包含 FIFO 缓冲区和多路复用器,以处理数据对齐和时序同步。 - **传输通道**: 串行数据通过物理介质(如 PCB 走线或光纤)传输。在此阶段,信号可能受到衰减、噪声和抖动影响。SerDes 会采用均衡技术(如连续时间线性均衡 CTLE 或判决反馈均衡 DFE)来补偿高频损失,确保信号完整性。数学上,均衡器的增益可表示为 $G(f) = \frac{1}{H(f)}$,其中 $H(f)$ 是通道的频率响应函数。 - **解串行化过程(Deserializer)**: 接收端首先进行时钟恢复(Clock and Data Recovery, CDR),从串行流中提取时钟信号。CDR 使用锁相环(PLL)或延迟锁定环(DLL)来同步本地时钟,其相位误差 $\Delta \phi$ 需满足 $\Delta \phi < \frac{1}{2f_c}$ 以避免误码。然后,解串器将串行数据采样并还原为并行输出。整个过程可建模为: $$ \text{并行输出} = \text{Deserializer} \left( \text{CDR} \left( \text{接收信号} \right) \right) $$ 解串器还包括错误检测机制,如循环冗余校验(CRC),以提升可靠性[^1]。 - **附功能**: SerDes 常集成调试能力,例如伪随机二进制序列(PRBS)生成和比对、眼图测试(用于可视化信号质量)以及环回测试(loopback),这些功能便于系统验证和故障诊断[^1]。在高速设计中,SerDes 还需处理电磁干扰(EMI)和功耗优化问题[^3]。 #### 3. **SerDes 的应用场景** SerDes 技术广泛应用于高带宽、低延迟的通信系统中,主要领域包括: - **高速接口标准**:如 PCI Express (PCIe)、SATA、USB 3.0/4.0、以太网(10G/40G/100G),其中 SerDes 提供千兆比特级传输速率。例如,PCIe Gen4 使用 SerDes 实现 16 GT/s 的速率。 - **FPGA 和 ASIC 设计**:在 FPGA 中,SerDes 用于实现高速收发器(如 Xilinx GTY 或 Intel Stratix 系列),支持视频处理、雷达系统等实时应用[^3]。FPGA 工程师需掌握 SerDes 以应对信号完整性(SI)和电源完整性(PI)挑战。 - **数据中心和网络设备**:用于交换机、路由器和服务器背板,减少布线复杂度,提高密度。 - **汽车电子**:在车载网络(如 Automotive Ethernet)中,SerDes 处理摄像头、传感器数据,支持 ADAS(高级驾驶辅助系统)。 - **测试测量仪器**:如示波器和协议分析仪,利用 SerDes 的眼图测试功能评估信号质量[^1]。 SerDes 的优势在于其高效率和可扩展性,但设计时需考虑功耗、成本和信号衰减问题。随着数据速率提升(如向 112G SerDes 演进),技术挑战也在增[^2][^3]。
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