Implementing High-speed Serializer/deserializer (serdes) in Vhdl

Deseralizer (Conversor de série-para-leais)

O desserializador executa a operação reversa: recebe uma sequência de bits seriais e reconstitui a palavra paralela. Os bits recebidos são deslocados para um registo em cada margem do relógio serial. Quando a palavra completa é montada, é apresentado no barramento de saída paralelo com uma bandeira válida associada. O desserializador também deve lidar com o alinhamento de bits; se o fluxo de dados não tiver um padrão conhecido de enquadramento, o alinhamento é obtido através de caracteres vírgula ou cabeçalhos de pacotes.

Recuperação de dados do relógio (CDR)

O CDR extrai o relógio em série da corrente de dados recebida. Isto é crítico porque o receptor e o transmissor não são frequência bloqueada em muitos sistemas. No SerDes de alta velocidade, o CDR é normalmente implementado como um ciclo bloqueado por fases (PLL) ou um ciclo bloqueado por atrasos (DLL) que ajusta um oscilador local para corresponder às transições de dados recebidas. Embora o CDR raramente seja codificado em VHDL puro para síntese de nível de porta (utiliza circuitos analógicos ou de sinal misto em ASICs, ou blocos endurecidos em FPGAs), a porção digital, como detectores de frequência de fase e filtros de laço digitais, pode ser descrita em VHDL. Compreender o comportamento do CDR é essencial quando se desenha a lógica de controlo desserializador.

Alinhamento de palavras e framing

Depois do CDR, os bits recebidos devem estar alinhados aos limites das palavras. Muitos protocolos incorporam um padrão distinto (por exemplo, K28. 5 em 8b/10b) que o desserializador usa para localizar os limites dos bytes. A lógica de alinhamento VHDL inclui uma máquina de estado que procura o padrão e depois muda o fluxo de bits até que o padrão seja igualado. Isto garante que as palavras paralelas subsequentes sejam corretamente enquadradas.

Desafios em Design SerDes de Alta Velocidade

SerDes de alta velocidade operam a taxas multi-gigabit, muitas vezes excedendo 10 Gbps por faixa. Nessas velocidades, desafios de design físico e digital se tornam pronunciados.

Encerramento da hora e metastabilidade

O serializador e o desserializador devem transferir dados entre os domínios do relógio (paralelo e serial). A metastabilidade pode ocorrer se os tempos de configuração/retenção forem violados. Os designers de VHDL devem inserir sincronizadores e restringir cuidadosamente a ferramenta de síntese para atender ao tempo. Usar sincronizadores de dupla ou tripla plataforma para sinais de controle é prática padrão.

Jitter e Skew

O Jitter no relógio recuperado pode causar erros de bits. No serializador, o clock deslocou- se entre os domínios paralelo e serial, levando a uma ordenação de bits incorreta. Para combater isto, os desenhos SerDes de alta velocidade usam frequentemente sinalização diferencial, pré- ênfase e equalização. Do ponto de vista VHDL, os designers devem minimizar a lógica combinatória no caminho dos dados seriais; a retração (movendo chinelos para atrasos de equilíbrio) é uma técnica comum.

Consumo de energia

A mudança de frequência gigabit desenhe uma potência dinâmica significativa. As estratégias de redução de energia incluem o gating de relógio, a redução da tensão de alimentação (se a tecnologia alvo permitir), e o uso de serializadores com larguras paralelas mais baixas (por exemplo, deslocando 8 bits vs. 32 bits) para reduzir a frequência do relógio serial. Em VHDL, a codificação cuidadosa evita o deslocamento desnecessário de ônibus largos.

Técnicas de implementação VHDL para SerDes de Alta Velocidade

Para obter uma operação confiável a taxas de multi-gigabits, o código VHDL deve ser sintetizado em recursos de hardware dedicados. As seguintes seções apresentam técnicas e exemplos práticos de codificação.

Usando Macros rígidos dedicados do SerDes

A maioria dos FPGAs modernos incluem transceptores SerDes endurecidos (por exemplo, Xilinx GTY, Intel E- tile). Estes blocos contêm PLLs, CDR, desserializadores e circuitos de equalização. O código VHDL para estes dispositivos instancia principalmente os primitivos fornecedores e os conecta à sua lógica de núcleo. Por exemplo, em dispositivos Xilinx, o ou ] transceptor é configurado através de atributos e então acessado através de um módulo de encapsulamento. Esta abordagem é muito mais confiável do que um SerDes totalmente macio em altas velocidades. O código VHDL para tais encapsuladores deve seguir o guia de usuário do fornecedor para definir parâmetros corretos para taxa de linha, relógio de referência e codificação.

Implementação de SerDes suave (velocidades moderadas)

Para taxas de até algumas centenas de megahertz, um SerDes totalmente suave em VHDL pode ser viável. A chave é usar registros de deslocamento e contadores que são implementados com chinelos dedicados e evitar cadeias combinatórias longas. Abaixo está um exemplo expandido de um serializador que inclui uma ativação de carga e sinal de aperto de mão.

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 usa o relógio serial para todas as operações. O sinal deve ser síncrono para ; na prática, é necessário um circuito de cruzamento de domínio de relógio do domínio paralelo.

Desserializador com alinhamento de palavras

O desserializador deve extrair a palavra paralela e identificar os limites. O exemplo a seguir inclui uma máquina de estado de alinhamento simples que procura um padrão conhecido (por exemplo, [FLT: 7]]).

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;

Num sistema real, a lógica de alinhamento também deve lidar com o deslizamento de bits e com vários caracteres vírgula por pacote. O relógio CDR é assumido recuperado; caso contrário, é necessário um bloco PLL.

Estratégias de cruzamento de domínio do relógio

Os desenhos SerDes de alta velocidade inevitavelmente cruzam o relógio paralelo mais lento para o relógio serial rápido. A abordagem mais segura é usar um buffer FIFO (primeiro- in, primeiro- saída) para desacoplar os domínios. Em VHDL, o FIFO pode ser implementado como uma RAM de porta dupla com ponteiros de leitura e gravação sincronizados entre os relógios. Para latência mínima, os sincronizadores baseados em aperto de mão (como um esquema de reconhecimento de pedidos) podem ser usados para controlar sinais.

Simulação e Verificação

A simulação de um SerDes em alta velocidade requer um design cuidadoso do banco de testes. O banco de testes deve gerar padrões de dados, injectar jitter (para avaliar margens de CDR e timing), e verificar se os dados transmitidos correspondem aos dados recebidos após o enquadramento. Os aspectos principais incluem:

• Geração de dados: Use PRBS (sequências de bits pseudo-random) para emular tráfego realista. Padrões PRBS expõem fontes de erro como interferência inter-símbolo e jitter dependente de padrões.
• Modelagem de bloqueio: Modelar o relógio serial com ruído de fase realista. A maioria dos simuladores digitais pode aproximar o jitter usando um período variável em curvas de teste VHDL (por exemplo, ]] com pequenas variações aleatórias).
• Verificação baseada em asserção: Inserir asserções VHDL para verificar se há violações de protocolo, tais como códigos de caracteres inválidos em codificação 8b/10b ou desalinhamento após um número definido de ciclos de relógio.
• Testes de coordenação: Execute simulações longas para garantir que a máquina de estado de alinhamento possa bloquear o padrão de vírgula sob várias fases iniciais. A cobertura funcional pode ser gravada usando SystemVerilog se disponível, ou através de contadores VHDL personalizados.

Os fornecedores como Xilinx e Intel fornecem bibliotecas de simulação para seus primitivos SerDes. Usando essas bibliotecas acelera a verificação porque eles modelam o comportamento analógico do PLL e a equalização. Sempre inclua esses modelos em seu banco de testes de simulação.

Tópicos Avançados: Pré-ênfase, Igualdade e Considerações sobre PCB

Embora o código VHDL não possa alterar o comportamento da camada física, o controlador SerDes pode ajustar as configurações de equalização se o transceptor as suporta. Os transceptores FPGA modernos têm pré- ênfase programável e equalização do receptor. Em VHDL, estes são configurados por escrito para controlar os registros através de um barramento interno (por exemplo, AXI- Lite). O designer deve entender como a pré- ênfase aumenta os componentes de alta frequência para compensar a perda do canal, e como o equalizador linear de tempo contínuo (CTLE) e o equalizador de retorno de decisão (DFE) corrigem a interferência intersímbolo. Este conhecimento influencia os trade- offs na máquina de estado de recepção digital, como o limiar de decisão para a amostragem de dados.

A disposição do PCB é igualmente crítica. Os traços seriais devem ser controlados por impedância (normalmente 100

Estudo de caso: Implementação de um Gigabit Ethernet SerDes em VHDL

Gigabit Ethernet (1000BASE- X) usa um esquema de codificação de 8b/10b e uma taxa de linha de 1, 25 Gbps. O SerDes deve serializar uma palavra paralela de 8 bits mais um bit de controle (para distinção de caracteres K/ D) em um fluxo serial de 10 bits. O receptor executa a recuperação do relógio a partir dos dados embaralhados e alinha os limites de palavras usando a vírgula (binário ] após a codificação). Uma implementação de VHDL incluiria:

1. Um codificador 8b/10b (pode ser implementado como uma tabela de pesquisa) que converte dados de 8 bits e sinais de controle em grupos de código de 10 bits.
2. Um serializador que pega o grupo de código de 10 bits e o produz em série a 1,25 Gbps.
3. Um desserializador que muda em bits e procura o padrão vírgula.
4. Um bloco CDR (geralmente instanciado de um fornecedor primitivo) que gera um relógio recuperado de 125 MHz (para o lado paralelo) do fluxo de 1,25 Gbps que está a chegar.
5. Um FIFO para transferir dados recebidos do domínio do relógio recuperado para o domínio do relógio do sistema.

Esta arquitetura pode ser descrita inteiramente em VHDL, com exceção do CDR analógico e driver de linha/receptor. Muitos projetos de código aberto fornecem tais implementações para fins educacionais, mas para a produção, transceptores endurecidos são fortemente recomendados.

Conclusão

A implementação de um SerDes de alta velocidade em VHDL é uma tarefa desafiadora, mas gratificante, que une a lógica digital e o design analógico de alta frequência. O código VHDL deve ser escrito com restrições de síntese, fechamento de tempo e cruzamento de domínio de relógio em mente. Para taxas superiores a 1 Gbps, alavancar macros de transceptores dedicados é essencial; para taxas mais baixas, um SerDes totalmente suave pode ser construído usando registros de deslocamento e contadores. Independentemente da abordagem, simulação completa com jitter realista e padrões de dados garante robustez. Compreender a arquitetura SerDes subjacente – serializador, desserializador, CDR e alinhamento – permite ao designer fazer trocas informadas entre área, potência e desempenho.

Ao seguir as diretrizes deste artigo, os engenheiros podem desenvolver implementações confiáveis SerDes que power sistemas de comunicação modernos.

Referências externas

• Guia de usuário da série 7 do Xilinx (UG476) – informações detalhadas sobre primitivos SerDes endurecidos.
• Wikipedia: Serializer/Desserializer – visão geral dos conceitos e aplicações SerDes.
• Guia de Usuário Intel Stratix 10 Transceiver – a abordagem de outro fornecedor para interfaces seriais de alta velocidade.
• FPGARelated SerDes Tutorial – introdução prática ao projeto SerDes com exemplos VHDL.