高速序列匯流排設計基礎（五）揭祕SERDES高速面紗之多相資料提取電路與線路編碼方案

李銳博恩發表於2020-12-24

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前言

SERDES可以工作在多吉位元的速率，同樣作為序列匯流排的SPI卻常常在十兆或數十兆位元的速率，為何差別這麼大呢？SERDES的特別之處在哪裡？用了什麼技術？這裡來揭祕SERDES高速面紗！

多相資料提取電路

採取多相位時鐘處理資料的技術應用十分廣泛，例如ADC晶片：EV10AQ190A，它的單通道模式就利用了多相位時鐘技術對模擬訊號進行取樣：

單通道模式取樣技術

這時多相位時鐘技術運用到了ADC電路設計中，可以實現使用資料流的4倍速率提升。
解讀ADC取樣晶片（EV10AQ190A）的工作模式（單通道模式）

如果將這種技術運用到吉位元收發器中呢？當然也可以大展身手，如下：

如下多相資料提取電路：

如果我們有位元率為x的輸入序列流，則可以通過使用慢速時鐘的多個相位來以x / 4的時鐘恢復流。輸入流被定向到四個觸發器，每個觸發器在時鐘的不同相位（0、90、180和270）下執行。

多相資料提取電路

多相提取電路時序圖

然後，每個觸發器送入一個由下一個最低相位時鐘的觸發器，直到以零相時鐘開始計時。這就將輸入的資料流反串成一個4位字，以輸入資料流的1/4時鐘速率執行。

在前面的示例中，將相位對齊，時鐘恰好是輸入流速率的1/4。怎麼發生的？我們必須鎖定傳入的序列資料流。我們可以使用經典的鎖相環（PLL）來完成此操作，但這將需要全速率時鐘並達到目的。高速SERDES的最大進步之一涉及用於時鐘和資料恢復的PLL。普通PLL需要以資料速度執行的時鐘，但是可以使用幾種技術來避免這種需求，包括分數速率鑑相器，多相PLL，並行取樣和過取樣資料恢復。

線路編碼方案

所謂的線路編碼方案就是高速序列匯流排技術中常用的8B/10B編碼或者64B/66B技術，關於8B/10B編碼技術的具體細節我會在本系列的後續部分給出單獨一篇！
下圖時Xilinx的Transceiver定製頁面的某一頁，可見，8b/10b 編碼是 Xilinx 的眾多（幾乎所有）高速序列匯流排協議中，採用的一種保持序列資料DC平衡的技術。

GTX定製頁面

線路編碼方案將原始資料修改成接收器可以接受的形式。具體而言，資料編碼方案確保有足夠的跳變以使時鐘恢復電路工作。它們提供了一種將資料對齊成字的方法，並且在序列鏈路上具有良好的直流（DC）平衡。

可選地，線路編碼方案還可提供時鐘校正，塊同步和通道繫結以及將頻寬劃分為子通道的實現。有兩種主要的線路編碼方案-值查詢方案和自修改流或加擾器。

8B/10B編解碼

8b / 10b編碼方案是由IBM開發的，已經被廣泛採用。它是Infiniband，千兆位乙太網，光纖通道和10千兆位乙太網的XAUI介面中使用的編碼方案。它是一種值查詢型別的編碼方案，其中將8位字轉換為10位符號。這些符號確保了時鐘恢復的跳變次數。

表3-1給出了一些8位值的示例，這些值會導致長時間執行而不會發生跳變。 8b / 10b允許將12個特殊字元解碼為12個通常稱為K字元的控制字元。後面會更詳細地介紹K個字元，但首先讓我們研究8b / 10b如何確保良好的DC平衡。

編碼示例

執行差異（Running Disparity）

通過一種稱為執行差異的方法，可以在8b / 10b中實現DC平衡。實現DC平衡的最簡單方法是僅允許具有相同數目的1和0的符號，但這將限制符號的數量。
相反，8b/10b使用兩個不同的符號分配給每個資料值。在大多數情況下，其中一個符號有6個0和4個1，另一個符號有4個0和6個1。監視1和0的總數，並根據需要選擇下一個符號，使線路恢復直流平衡。這兩個符號通常被稱為+和-符號。
符號示例見下表。

數字字元的編碼

關於此字元的全部編碼，可參考UG476的附錄C。
執行差異的另外一個好處是，接收器可以監控執行差異，並檢測到傳入流中發生了錯誤，因為違反了執行差異規則。

控制字元

剛才的表格中的以D開頭的字元成為資料字元，它代表的是資料資訊；其實不只有資料資訊，高速序列匯流排傳輸的還有控制字元，如下：
下表列出了12個特殊符號的編碼，這些符號稱為控制字元或K字元。

控制字元編碼

這些控制字元用於對齊，控制，並將頻寬劃分為子通道。

Comma 檢測

Comma Detection可以直譯為逗號檢測，它是指定為對齊序列的一兩個符號，可以看作是一個標誌。

資料對齊是解串器（串並轉換）的重要功能。下圖表示序列流中的有效8b / 10b資料。

序列資料流

我們怎麼知道符號的邊界在哪裡？符號是由逗號劃定的。在這裡，逗號是指定為逗號或對齊序列的一個或兩個符號。這個序列通常在收發器中可設定，但在某些情況下，它可能是預定義的。

接收器掃描傳入的資料流以查詢指定的位序列。如果找到序列，則解串器將重置單詞邊界以匹配檢測到的逗號序列。這是連續掃描。進行對齊後，檢測到的所有後續逗號都應找到已設定的對齊方式。當然，逗號序列在序列的任何組合內必須是唯一的。

例如，如果我們對逗號使用訊號符號c，則必須確定沒有有序的符號xy集包含位序列c（確保唯一，作為僅僅為編）。使用預定義的協議不是問題，因為已經定義了逗號字元。

通常使用K字元的一個或多個特殊子集。該子集由K28.1，K28.5和K28.7組成，它們的前7位均為1100000。僅在這些字元中找到此模式；沒有有序的資料集，也沒有其他K字元包含此序列。因此，它是對齊使用的理想選擇。在構建自定義協議的情況下，最安全，最常見的解決方案是從已知協議中“借用”序列。千兆乙太網使用K28.5作為逗號。因此，即使在技術上還有其他選擇，它也通常被稱為逗號符號。