7系列GTX的TX复位设计 半导体, 吞吐量, 单片, 技术, 接口

pengpengpang

Xilinx IO Specialist Antony Gu
前言
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/TXUSRCLK2RXUSRCLK/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(LINE RATE)/(INTERNAL DATAWIDHT)，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16/20 bit （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、 TXBUFFER BYPASS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。
后语
由于篇幅所限，现在只把TX部分复位的一些方案简单说明一下。
对于RX部分的复位，由于涉及到CDR，时钟也会受到对端影响。所以情形要复杂些。
这会在另一篇里专述。
希望能对大家有帮助。
谢谢。