SerDes介绍以及原语使用介绍（1）OSERDESE2

前言：为什么需要serdes

需要 SerDes（串行器/解串器）主要是为了应对高速数据传输和复杂系统集成的挑战。以下是具体原因和应用场景：

1. 高速数据传输
   数据带宽需求增加：随着数据处理能力的提升，系统对数据传输带宽的需求不断增加。SerDes可以实现更高的传输速率，满足带宽需求。
   时钟频率提升：串行传输能够以更高的时钟频率工作，从而提高数据传输速度。

2. 减少引脚和布线
   引脚数量减少：在并行传输中，需要多条数据线和相应的引脚。SerDes通过串行化数据传输，显著减少了所需的引脚数量。
   布线复杂性降低：减少了PCB上的布线数量，简化了设计，降低了成本和干扰。

3. 改善信号完整性
   降低串扰和噪声：并行传输中，信号线之间的干扰和噪声是一个主要问题。串行传输减少了这些问题，提高了信号的完整性。
   长距离传输：串行信号在长距离传输中更容易保持信号的完整性，适用于芯片间和板间通信。

4. 节省空间和功耗
   减少芯片面积：通过减少I/O引脚的数量，SerDes可以帮助节省芯片的面积。
   优化功耗：尽管SerDes电路本身可能功耗较高，但整体系统的功耗效率会因为减少并行I/O而得到优化。

5. 适应现代系统需求
   支持多种标准和协议：SerDes广泛应用于各种高速接口标准，如PCI Express、SATA、USB、以太网、光纤通道等，适应不同的应用需求。
   系统集成：现代系统越来越复杂，需要将多个子系统集成在一起。SerDes能够高效地实现不同模块间的数据传输和通信。

6. 灵活性和可扩展性
   动态带宽分配：SerDes能够根据需要动态分配带宽，提高系统的灵活性。
   可扩展性：可以通过增加SerDes通道的数量来扩展系统的总带宽，满足未来的需求。

应用场景

1. 通信网络：用于高速网络接口，如以太网和光纤通道。
2. 存储系统：如SATA、SAS等存储接口。
3. 计算机总线：如PCI Express、USB等系统总线。
4. 多媒体接口：如HDMI、DisplayPort等视频和音频接口。
5. 芯片间通信：如在多芯片模块（MCM）和系统级封装（SiP）中使用。
6. 板间通信：用于不同电路板之间的高速数据传输。

总结：
需要SerDes的主要原因在于其能够大幅提升数据传输速率、减少引脚数量和布线复杂性、改善信号完整性、节省空间和功耗，以及满足现代高速系统的需求。通过串行化和解串化，SerDes在各种高速数据传输和复杂系统集成场景中发挥着关键作用。
而我们之前学习的GT(包括GTX、GTH和GTP)：是Xilinx在高速SerDes的基础上，增加了其他模块，如8b/10b编解码等(具体可以看Xilinx相关文档，如ug476)形成的一个高速串行收发器，GT是Gigabit Transceiver的意思，它是实现当下一些高速串行接口的基础：如PCIe、RapidIO等

一、OSERDESE2框图

参考：xilinx ug471手册

上图所示，OSERDESE2（Output Parallel-to-Serial Logic Resources）是7系列FPGA器件中的专用并串转换器，具有特定的时钟和逻辑资源。每个OSERDESE2模块都包含一个用于数据和三态控制的专用串行器。数据和三态串行器输出都可以配置为SDR（在时钟的单沿传输数据）和DDR（在时钟的双沿传输数据）模式。数据序列化最高可达 8:1（如果使用OSERDESE2宽度扩展，则为10:1或14:1）。

二、OSERDESE2端口信号

1. CLK：与输出串行数据对齐的高频时钟信号
2. CLKDIV：与输入并行数据对齐的低频时钟信号
3. D1-D8：并行输入数据端口，一个OSERDESE2最多配置8位输入并行输入数据，两个OSERDESE2模块通过级联可以配置10位或14位并行输入数据。其中D1最先转换为串行数据输出。
4. OQ：串行信号输出，直接与IOB相连，输出到FPGA管脚，若是需要将串行信号输出到2. ODELAYE2或者ISERDESE2，那么使用OFB端口，OFB和OQ两个端口的信号一模一样，只是数据走向不同。
5. T1-T1：OSERDESE2原语还有三态控制输出的功能，那么T1-T4是三态控制信号，与D1-D4数据对应。使用三态功能时，TQ作为串行输出的管脚，用于判断OQ信号此时是作为输入引脚（TQ为高电平）还是输出引脚（TQ为低电平），而TFB与OFB原理类似。
6. OCE：数据并串转换的时钟使能信号。
7. TCE：三态转换的时钟使能信号。
8. RST：是一个异步的高电平复位，RST拉高时，会将CLK和CLKDIV时钟域下的所有触发器清零输出低电平。当设计中存在多个OSERDESE2模块时，推荐所有OSERDESE2均使用同一个复位信号，并且RST拉高应该与CLKDIV信号同步，确保所有OSERDESE2模块能够同时退出复位状态。
9. TBYTEIN、TBYTEOUT：信号是用于DDR3控制器使用的，直接关闭即可。
10. SHIFTIN1、SHIFTIN2、SHIFTOUT1、SHIFTOUT2：用于OSERDESE2转换数据时的位扩展，单个OSERDESE2最多只能将8bit并行数据转换位串行数据输出，而两个OSERDESE2级联最多可以将14bit并行数据转换位串行数据输出。如下图所示，是两个OSERDESE2将10bit并行输入转换为串行输出的连接框图。从OSERDESE2的SHIFTOUT1、SHIFTOUT2连接到主OSERDESE2的SHIFTIN1、SHIFTIN2实现扩展。Slave OSERDESE2模块的输入数据从D3开始连接，D1和D2不能使用。
    

二、OSERDESE2原语参数

   OSERDESE2 #(.DATA_RATE_OQ("DDR"),   // DDR, SDR.DATA_RATE_TQ("DDR"),   // DDR, BUF, SDR.DATA_WIDTH(4),         // Parallel data width (2-8,10,14).INIT_OQ(1'b0),         // Initial value of OQ output (1'b0,1'b1).INIT_TQ(1'b0),         // Initial value of TQ output (1'b0,1'b1).SERDES_MODE("MASTER"), // MASTER, SLAVE.SRVAL_OQ(1'b0),        // OQ output value when SR is used (1'b0,1'b1).SRVAL_TQ(1'b0),        // TQ output value when SR is used (1'b0,1'b1).TBYTE_CTL("FALSE"),    // Enable tristate byte operation (FALSE, TRUE).TBYTE_SRC("FALSE"),    // Tristate byte source (FALSE, TRUE).TRISTATE_WIDTH(4)      // 3-state converter width (1,4))

OSERDESE2一共有11个参数，分别如下：

1. DATA_RATE_OQ：定义数据是以单数据速率(SDR)还是双数据速率(DDR)进行串行化处理，默认值为DDR。
2. DATA_RATE_TQ：定义是否将三态控制作为单数据速率(SDR)还是双数据速率(DDR)进行处理。该属性允许的值为SDR、DDR或BUF，默认为DDR。在SDR和DDR模式下，使用T1~T4输入，并且可以使用TRISTATE_WIDTH配置三态输入宽度。在BUF模式下，SDR和DDR模式寄存器被旁路，使用T1输入。
3. DATA_WIDTH：定义并串转换器的并行数据输入宽度。当 DATA_RATE_OQ设置为SDR时，DATA_WIDTH可能取值为2、3、4、5、6、7和8。当DATA_RATE_OQ设置为DDR时，DATA_WIDTH属性的可能值为 4、6、8 、10 和 14。
4. INIT_OQ：表示OQ信号的初始状态，默认为1’b0。
5. INIT_TQ：表示TQ的初始状态，默认为1’b0。
6. SERDES_MODE：定义使用宽度扩展时OSERDESE2模块是主模块还是从模块。可以为MASTER或SLAVE，默认为MASTER。
7. SRVAL_OQ：表示OQ信号复位时的值，默认为1’b0。
8. SRVAL_TQ：表示TQ信号复位时的值，默认为1‘b0。
9. TBYTE_CTL：用于DDR3控制器使用
10. TBYTE_SRC：用于DDR3控制器使用
11. TRISTATE_WIDTH：定义三态控制并串转换器的并行三态输入宽度。当DATA_RATE_TQ设置为SDR或BUF时，TRISTATE_WIDTH属性只能设置为1。当DATA_RATE_TQ设置为DDR时，TRISTATE_WIDTH属性的可能值为1和4。

OSERDESE2块的输入到输出延迟指的是当CLKDIV的上升沿把输入数据D1~D8端口的数据寄存到OSERDESE2内部时 到 OSERDESE2的OQ端口输出第一位数据的时间间隔。当CLK和CLKDIV的相位对齐时，延迟可能相差一个CLK周期，如果CLK和CLKDIV的相位没有对齐时，延迟的值取决于DATA_RATE和DATA_WIDTH的值，如下图所示：

三、OSERDESE2时序

3.1、SDR模式

1. 时钟事件1在CLKDIV的上升沿上，2’bAB从FPGA逻辑驱动到OSERDESE2的D1和D2输入(需要经过一些传播延迟)。

2. 时钟事件2在CLKDIV的上升沿上，2’bAB从D1和D2输入采样到OSERDESE2。

3. 时钟事件3数据位A在AB被采样到OSERDESE2后一个CLK周期出现在OQ。

4. 此延迟与上表当中SDR模式OSERDESE2延迟为一个CLK周期一致。

3.2、DDR模式

1. 时钟事件1在CLKDIV的上升沿上，8’bABCDEFGH从FPGA逻辑驱动到OSERDESE2的D1-D8输入。

2. 时钟事件2在CLKDIV的上升沿上，8’bABCDEFGH从D1-D8采样到OSERDESE2。

3. 时钟事件3在ABCDEFGH被采样到OSERDESE2后，数据位A出现在4个CLK周期，与上表描述一致。第二个单词IJKLMNOP从D1-D8采样到OSERDESE2。

4. 时钟事件4在时钟事件3和4之间，整个8’bABCDEFGH在OQ上串行传输，在一个CLKDIV周期中总共传输8位。在IJKLMNOP被采样到OSERDESE2之后，数据位I出现在OQ的四个CLK周期。

5. 这个延迟与之前时延表中列出的4个CLK周期的8:1 DDR mode下OSERDESE2延迟一致。

3.3、DDR模式下三态传输

此时最多将4位并行数据转为串行数据输出，在时钟CLKDIV第三个上升沿处，采集到D1-D4的数据位EFGH，与此时T1-T4的数据0010对应。

经过一个CLK时钟周期后，OQ输出第一个串行数据E，而TQ开始输出对应三态数据0，当TQ数据为0时，才会将OQ的数据输出到IOB模块，当TQ为1时，FPGA管脚作为输入，此时不会把OQ的数据输出到IOB。因此下图中当TQ为低电平时，OBUFT.O才输出OQ对应的数据EFH，否则不输出OQ的数据。图片