Implementación de Serializador/deserializador de alta velocidad (serdos) en Vhdl

Deserializador (Conversor de serie a paralelo)

El desarrollador realiza la operación inversa: recibe un flujo de bits en serie y reconstruye la palabra paralela. Los bits entrantes se desplazan en un registro en cada borde de reloj serie. Cuando la palabra completa se monta, se presenta en el bus de salida paralelo con una bandera válida asociada. El desserializador también debe manejar la alineación de bits; si el flujo de datos no tiene un patrón de framing conocido, la alineación se logra a través de caracteres comas o paquetes.

Recuperación de datos del reloj (CDR)

CDR extrae el reloj en serie de la corriente de datos entrantes. Esto es crítico porque el receptor y el transmisor no están bloqueados en muchos sistemas. En SerDes de alta velocidad, CDR se implementa normalmente como un bucle de bloqueo (PLL) o un bucle de retardo (DLL) que ajusta un oscilador local para que coincida con las transiciones de datos de nivel intermedio.

Alineación y Framing de Word

Después de la RDC, los bits entrantes deben alinearse a los límites de palabras. Muchos protocolos incrustaron un patrón distinto (por ejemplo, K28.5 en 8b/10b) que el desarnalizador utiliza para localizar límites byte. La lógica de alineación VHDL incluye una máquina estatal que busca el patrón y luego cambia el flujo de bits hasta que el patrón se ajuste. Esto asegura que las palabras paralelas posteriores estén correctamente enmarcadas.

Desafíos en el diseño SerDes de alta velocidad

SerDes de alta velocidad opera a velocidades multi-gigabit, a menudo superiores a 10 Gbps por carril. A estas velocidades, se pronuncian desafíos de diseño físico y digital.

Claura de la Timación y Metastabilidad

El serializador y deserializador deben transferir datos entre los dominios del reloj (paralelo y serie). La metastabilidad puede ocurrir si se violan los tiempos de configuración/mantenimiento. Los diseñadores de VHDL deben insertar sincronizadores y limitar cuidadosamente la herramienta de síntesis para cumplir con el tiempo.

Jitter y Skew

En el serializador, el reloj entre los dominios paralelos y seriales conduce a una orden incorrecta de bits. Para combatir esto, los diseños SerDes de alta velocidad a menudo utilizan señalización diferencial, pre-emfasis y igualación. Desde un punto de vista VHDL, los diseñadores deben minimizar la lógica combinatoria en el camino de datos serie; la retimización (moviendo los saltos a los balances comunes).

Consumo de energía

El cambio en frecuencias gigabitas genera una potencia dinámica significativa. Las estrategias de reducción de potencia incluyen el reloj, la reducción del voltaje de suministro (si la tecnología de destino permite), y el uso de serializadores con anchos paralelos inferiores (por ejemplo, el desplazamiento de 8 bits vs 32 bits) para reducir la frecuencia de reloj en serie. En VHDL, la codificación cuidadosa evita el toggling innecesario de autobuses anchos.

Técnicas de implementación de VHDL para SerDes de alta velocidad

Para lograr un funcionamiento fiable a valores multi-gigabit, el código VHDL debe ser sintetizado en recursos de hardware dedicados. Las siguientes secciones presentan técnicas y ejemplos prácticos de codificación.

Usando SerDes Hard Macros

Los transceptores de SerDes más modernos (por ejemplo, Xilinx GTY, Intel E-tile). Estos bloques contienen PLLs, CDR, deserializers y circuitos de igualación. Código VHDL para estos dispositivos principalmente instantáneas de proveedores primitivos y los conecta a su lógica central. Por ejemplo, en los dispositivos Xilinx, los [Fround transceptor]

Aplicación de SerDes Soft ( Velocidades Moderadas)

Para tarifas de hasta unos pocos cientos de megahercios, un SerDes totalmente suave en VHDL puede ser viable. La clave es utilizar registros de cambios y contadores que se implementan con volteretas dedicadas y evitar cadenas combinatorias largas. A continuación se muestra un ejemplo ampliado de un serializador que incluye una señal de carga y apretón de manos.

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity Serializer_8to1 is
 Port (
 clk_ser : in STD_LOGIC; -- serial clock
 clk_par : in STD_LOGIC; -- parallel clock (1/8 rate)
 rst : in STD_LOGIC;
 data_in : in STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
 load : in STD_LOGIC;
 serial_out : out STD_LOGIC;
 busy : out STD_LOGIC
 );
end Serializer_8to1;

architecture Behavioral of Serializer_8to1 is
 signal shift_reg : STD_LOGIC_VECTOR(7 downto 0);
 signal bit_cnt : integer range 0 to 7;
begin
 process(clk_ser, rst)
 begin
 if rst = '1' then
 shift_reg <= (others => '0');
 bit_cnt <= 0;
 busy <= '0';
 elsif rising_edge(clk_ser) then
 if load = '1' then
 shift_reg <= data_in;
 bit_cnt <= 7;
 busy <= '1';
 elsif bit_cnt > 0 then
 shift_reg <= shift_reg(6 downto 0) & '0';
 bit_cnt <= bit_cnt - 1;
 else
 busy <= '0';
 end if;
 end if;
 end process;

 serial_out <= shift_reg(7);
end Behavioral;

Este serializador utiliza el reloj de serie para todas las operaciones. La señal debe ser sincronizada con ; en la práctica, se necesita un circuito de cruce de dominio del reloj desde el dominio paralelo.

Deserializador con alineación de Word

El desarrollador debe extraer la palabra paralela e identificar límites. El siguiente ejemplo incluye una simple máquina de alineación del estado que busca un patrón conocido (por ejemplo, ).

library IEEE;
use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
use IEEE.NUMERIC_STD.ALL;

entity Deserializer_8b10b is
 Port (
 clk_ser : in STD_LOGIC;
 rst : in STD_LOGIC;
 serial_in : in STD_LOGIC;
 data_out : out STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);
 aligned : out STD_LOGIC
 );
end Deserializer_8b10b;

architecture Behavioral of Deserializer_8b10b is
 signal shift_reg : STD_LOGIC_VECTOR(9 downto 0);
 signal bit_cnt : integer range 0 to 10;
 signal lock : STD_LOGIC := '0';
begin
 process(clk_ser, rst)
 begin
 if rst = '1' then
 shift_reg <= (others => '0');
 bit_cnt <= 0;
 lock <= '0';
 aligned <= '0';
 elsif rising_edge(clk_ser) then
 shift_reg <= shift_reg(8 downto 0) & serial_in;
 if bit_cnt < 10 then
 bit_cnt <= bit_cnt + 1;
 end if;
 -- check for alignment pattern at any bit position
 if lock = '0' then
 if bit_cnt = 10 then
 if shift_reg = "1111000010" then -- comma pattern
 lock <= '1';
 aligned <= '1';
 end if;
 end if;
 else
 -- After locked, output parallel word every 10 clocks
 if bit_cnt = 10 then
 data_out <= shift_reg;
 bit_cnt <= 0;
 end if;
 end if;
 end if;
 end process;
end Behavioral;

En un sistema real, la lógica de alineación debe también manejar los caracteres de deslizamiento de bits y varios comas por paquete. Se supone que el reloj CDR se recupera; si no, se requiere un bloque PLL.

Estrategias de cruce de dominios del bloqueo

SerDes de alta velocidad diseña inevitablemente cruzar del reloj paralelo más lento al reloj de serie rápido. El enfoque más seguro es utilizar un dispositivo FIFO (primero en, primero en salir) para decodificar los dominios. En VHDL, el FIFO puede ser implementado como un sistema de RAM de doble puerto con punteros de lectura y escritura sincronizados a través de relojes. Para la la latencia mínima, los sincronizadores basados en apretones pueden ser utilizados

Simulación y Verificación

Simulando un SerDes a alta velocidad requiere un diseño cuidadoso de testbench. El testbench debe generar patrones de datos, inyectar el jitter (para evaluar los márgenes de CDR y cronograma), y verificar que los datos transmitidos coinciden con los datos recibidos después del encuadre.

• Generación de datos: Usa PRBS (secuencias de bits de pseudo-aleatorios) para emular el tráfico realista. Los patrones PRBS exponen fuentes de error como interferencia inter-símbolo y jitter dependiente del patrón.
• Modelo de bloqueo: Modele el reloj en serie con un ruido de fase realista. La mayoría de los simuladores digitales pueden aproximarse al jitter utilizando un período variable en testbenches VHDL (por ejemplo, ] con pequeñas variaciones aleatorias.
• Verificación basada en la confirmación: Introducir las afirmaciones de VHDL para verificar las violaciones del protocolo, como los códigos de caracteres inválidos en la codificación o desalineación de 8b/10b después de un número definido de ciclos de reloj.
• Pruebas basadas en el sobreescalaje:] Ejecute simulaciones largas para asegurar que la máquina del estado de alineación pueda bloquear el patrón de coma en varias fases iniciales. La cobertura funcional puede ser registrada usando SystemVerilog si está disponible, o a través de contadores VHDL personalizados.

Los vendedores como Xilinx e Intel proporcionan bibliotecas de simulación para sus primitivos SerDes. Usando estas bibliotecas acelera la verificación porque modelan el comportamiento analógico de la PLL y la igualdad.

Temas avanzados: Pre-emfasis, Igualdad y Consideraciones PCB

El código VHDL no puede alterar el comportamiento de la capa física, pero el controlador SerDes puede ajustar la configuración de la igualdad si el transceptor los apoya. Los transceptores FPGA modernos tienen pre-emfasis de transmisor programable y la igualación de receptor. En VHDL, estos son configurados por escrito para controlar los registros mediante un bus interno (por ejemplo, AXI-Lite).

La disposición de PCB es igualmente crítica. Los trazos de serie deben ser controlados por impedancia (normalmente 100 Ω diferencial), y la distribución del reloj debe minimizar el corte entre el reloj de referencia y la entrada de reloj dedicada del transceptor. Estas limitaciones físicas están fuera de VHDL, pero el diseñador digital debe proporcionar directrices claras al ingeniero de PCB, tales como la tolerancia de jitter y las especificaciones de pérdida de retorno.

Estudio de caso: Implementación de una Gigabit Ethernet SerDes en VHDL

Gigabit Ethernet (1000BASE-X) utiliza un esquema de codificación de 8b/10b y una tasa de línea de 1.25 Gbps. Los SerDes deben serializar una palabra paralela de 8 bits más un bit de control (para la distinción de caracteres K/D) en un flujo de serie de 10 bits. El receptor realiza la recuperación del reloj de los datos scrambled y alinea los límites de palabras usando la coma (binar

1. Un encoder de 8b/10b (puede ser implementado como una tabla de búsqueda) que convierte los datos de 8 bits y las señales de control en grupos de código de 10 bits.
2. Un serializador que toma el grupo de código de 10 bits y lo produce en serie a 1,25 Gbps.
3. Un desmontaje que cambia en pedazos y busca el patrón de coma.
4. Un bloque CDR (generalmente instantánea de un proveedor primitivo) que genera un reloj recuperado de 125 MHz (para el lado paralelo) de la corriente de entrada 1.25 Gbps.
5. Un FIFO para transferir datos recibidos del dominio del reloj recuperado al dominio del reloj del sistema.

Esta arquitectura puede describirse completamente en VHDL, con la excepción del CDR analógico y conductor/receptor de línea. Muchos proyectos de código abierto proporcionan tales implementaciones con fines educativos, pero para la producción, se recomiendan fuertemente los transceptores endurecidos.

Conclusión

Implementar un SerDes de alta velocidad en VHDL es una tarea desafiante pero gratificante que puente la lógica digital y el diseño analógico de alta frecuencia.El código VHDL debe ser escrito con limitaciones de síntesis, cierre de tiempo y control de dominio de reloj en mente.Para las tasas superiores a 1 Gbps, la palanca de transceptores dedicados es esencial; para las tarifas más bajas, un SerDes completamente suave puede ser construido utilizando registros de cambios y contra arquitectura.

Referencias externas]

• Xilinx 7 Series Transceivers User Guide (UG476)] – información detallada sobre los primitivos SerDes endurecidos.
• Wikipedia: Serializer/Deserializer – panorama de los conceptos y aplicaciones de SerDes.
• Intel Stratix 10 Transceiver User Guide] – Otro proveedor de interfaz de serie de alta velocidad.
• FPGARelated SerDes Tutorial – introducción práctica al diseño SerDes con ejemplos VHDL.