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高速串行接口的简介.pdf
cover
section1_Acknowledgement
Table of Content
Foreword
serialio-ch1_cn
serialio-ch2_cn
serialio-ch3_cn
CRC
serialio-ch4_cn
serialio-ch5_cn
serialio-apxA_cn
serialio-apxB_cn
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back-en&ch_revised by Wilson
时钟晶振推荐
连接功能解决方案 1.0 版
轻松实现高速
串行I/O
FPGA 应用设计者指南
作者：
Abhijit Athavale
Carl Christensen
R
连接功能解决方案 1.0版
轻松实现高速串行I/O
FPGA应用设计者指南
作者：
Abhijit Athavale
Xilinx公司连接功能解决方案部市场营销经理
和
Carl Christensen
Xilinx公司技术营销部
i
轻松实现高速串行 I/O
© 2005 Xilinx, Inc 版权所有。XILINX、Xilinx 标识、以及本书中标明的其他商标均为 Xilinx 公司的商标。PowerPC 是 IBM 公司的商标。
其他全部商标均为其持有者各自所有。
免责声明：本书提供的信息是“初级信息”，不用于设计目的。Xilinx 目前所提供的设计、编码或信息仅限于此。Xilinx 提供设计、编
码或信息作为这种特性、应用或标准的一种可能设计，Xilinx 不声明这种设计能免于任何侵权索赔。您需负责为您的这种设计获得所
需的任何权利。Xilinx 明确拒绝就这种设计的合理性做出任何保证（包括但不限于关于这种设计可免于侵权索赔的任何保证或声明、
以及关于适销性或适合于特定用途的任何默示保证）。
本书提及的全部术语均为知名的商品商标或服务商标，为其持有者各自所有。本书中使用的这些术语不会影响任何商品商标或服务商标的
有效性。
本公司保留所有权利。未经出版商书面许可，不允许以任何形式或采取任何方式复制本书的任何部分。
获取本书复印件，请致信：
Xilinx Connectivity Solutions
Product Solutions Marketing/Xilinx Worldwide Marketing
Dept. 2450, 2100 Logic Drive, San Jose, CA 95124
电话：408.879.6889, 传真：308.371.8283
serialio@xilinx.com
初版1.0
2005年4月
PN0402399
ii
致谢
在此，请允许我们向Paul Galloway和Craig Abramson致以最诚挚的谢意。我们能够完成这个项目，离不开他们的激励、指
导和鼓励。
同时，我们也非常感谢Ryan Carlson为本书的编写所提供的宝贵帮助，以及Chuck Berry所给与的大力支持和为本书的销售
所做出的努力。
向包括Matt DiPaolo、Mike Degerstrom和Scott Davidson在内的一大批校阅者表达我们的谢意。是他们让我们具备了诚实、
准确和与时俱进的作风。
感谢Babak Hedayati和Tim Erjavec给与我们的坚定支持和鼓励。最后，特别感谢Ray Johnson，他不仅为我们提供了全力
支持，而且还审阅了全书并撰写了开篇序言。
iii
轻松实现高速串行 I/O
iv
致谢……………………………………………………………………..…………………………………………..…………….iii
目录
序言
关于作者……………………………………………………………………………………………………………………...….xi
介绍
I/O性能极限………………………………………………......................................................……………………..... 1
针对I/O的数字设计解决方案………………………………………………………………………..……….………………….1
千兆位级串行技术介绍…………………………………………………………………………………………………………..1
数字电子通信的历史……………………………………………………………………………………………..……….……..2
基本I/O概念……………………………………………………………………………………………………………..……….3
差分信号………………………………………………………………………………………………………………..….4
系统同步、源同步和自同步………………………………..………………………………….…………………………...5
并行传输…………………………………………………………………..…………………………….………………….10
I/O技术的不断改进………………………………………………………………………….………………………..………...10
为何需要千兆位串行I/O?
设计考虑…………………………………………………………………..……………………………………………….……11
千兆位串行I/O的优势…………………………………………………………………………………………………………..11
最大数据流…………………………………………………………………………………….………………………….11
引脚数…………………………………………………………………………………………………………………….14
同步转换输出………………………………………………………………………………………………….………….15
EMI……………………………………………………………………………….………………………………………...15
成本……………………………………………………………………………………………………………………….15
预设协议………………………………………………………………………………………………………………….15
缺点是什么？…………………………………………………………………………………………………………………15
千兆位I/O用于何处？…………………………………………………………………..….………………………………...16
芯片到芯片………………………………………………………………………………..…………………………….16
板到板/背板………………………………………………………………………………………………..………………17
盒到盒……………………………………………………………………………………………………………..……….18
千兆位级设计的未来…………………………………….……………………………………………………………………18
技术
实际的串行 I/O……………………………………..…………………………………….……………………………………..19
千兆位串行的实现............................................................................................................................... ....... 19
串行器/解串器……………………………………………………………………………………………………….………...20
串行器/解串器和CDR的历史…………………………………………………………………..………………………..20
基本运行原理和总体框图……………………………………………..…………………………………………………..21
为何SERDES速度如此快？………………………………….………………………………………………………..23
线路编码机制……………………………………………………………………………………………………………..…….25
8b/10b编码/解码……………………………….…………………………………………………………………………26
Xilinx v
轻松实现高速串行 I/O
运行不一致性（Running Disparity ）……………….………………………………………………………….26
控制字符………………………………………………………..……………………………………………….. 2 7
Comma字符检测…………………….......................................... .........................................................27
扰码…………………………………………..…………………………………………….……………………………..29
4b/5b 64b/66b………………………………………..……………………………………………….…………………31
4b/5b 64b/66b 的权衡……………………………………………………………………………………………... 34
包简介…………………………………………………………………………………………………………………………….35
参考时钟的要求……………………………………………..………………………………………………….……………….36
时钟修正………………………………………………………………………..……………………………………………….37
接收和发送缓冲器………………………………………..…………………………………………………………………….38
通道绑定………………………………………….………………..…………………………………………………………….39
物理信号…………………………………………….………………………….……………………………………………….40
预加重……………………………………………………………………………………….………………………………….42
差分传输线路…………………………………………………………………………….………….………………………….45
线路均衡……………………………………………………………………………………….……………………………….47
光解决方案………………………………………………………………………………….……….…………………. 51
误码率……………………………………………………………………………………………………….………….……….52
测试的真实性……………………………………………………………………………………………………..…………...53
CRC………………………………………………………………………………………………………………………...53
某些应用中的 FEC……………………….……………………………………………………………………………….54
SERDES 技术促进 I/O 设计的发展…………………………………………….…………………………………………….55
千兆位串行 I/O 设计
千兆位级收发器设计面临的挑战 ……………………………………….…………….…………………………………….57
设计时应考虑的事项及可提供的选择………………………………………………….………………..………………..….57
协议………………………………………………………………………………………………..…………………………….57
标准协议………………………………………………………………………………………………….…..…………..58
定制协议…………………………………………………………………………………………………………..………..62
信号完整性……………………………………………………………………………………………………………………..65
阻抗………………………………………………………….………………………………………………………………….65
电源………………………………………………….………………………………………………………………………….66
屏蔽…………………………………………………………………….……………………………..………………………….73
板、连接器和电缆………………………………………………………………………………………..…………………….73
印刷电路板设计……………………………………..………………………………………………….………………..73
连接器的选择…………………………………………………………………….…………………………………………….79
电缆的选择………………………………………………………..……………………….………………………………..…81
仿真……………………………………..…………………………………………………………..………………………….83
模拟部分………………………………………….…………………………………………………….…………………..83
数字部分………………………………………………………………..………….……………………………………..84
测试和测量…………………………………………………………………………………….……………………………….86
采样示波器和数字通信分析器………………………………………….…………………….…………………………..86
时域反射……………………………………………………………………………………………….…………………..87
vi Xilinx
目录
眼图………………………………………………………………………….……………………………………………..89
抖动……………………………………………………………………..…………………………………..……….. 93
发生器和错误比特检测器................................................................................................................. 94
配置所需的设备...................................................................................................................... 96
千兆位级调试提示.............................................................................................................................. 97
互操作性…………………………………………………….………………………………………………………………….99
协议层……………………………………………………………………………………………………………………..99
电气层…………………………………………………………………….…………………………………………………...100
其他资源………………………………………………………………….…………………………………………………...100
设计服务…………………………………………………………….…….………….…………………………………100
测试中心……………………………………………………….………………..…..…………………………………100
开发平台…………………………………………………..………………………….……………………………101
Xilinx—您的设计合作伙伴
串行 I/O 设计的考虑事项………………………………………………….…………………………………………………103
一站式串行 I/O 门户网…………………………………………………………..…………………………………………103
信号完整性中心………………………………………………………….…..…………….………………………………...105
其他参考资料………………………………………………………………………………………………………………...106
Xilinx - 强大的设计合作伙伴………………………………………………….………………………………………………107
Xilinx 世界级的技术支持…………………………………………………………..………………………..….…………...108
SERDES示例资料 -
RocketIO X 收发器概述
基本体系结构和性能……………………………..……………………………….…………………………………………...109
RocketIO X 收发器实例……………………………………………………………..………………………………………..112
HDL 代码范例..………………………………………………………………………………………………………….112
可用端口…………………………………………………………………….……………………..…………………………...113
设计原型属性……………………………………………………………..………………………..….……………………...120
可更改属性……………………………………………………………….…………………………………………………...126
字节映射……………………………………………………………………….………………………………….…………...126
数字设计应考虑的事项………………………………………………………….…………………………………………...127
顶层结构……………………………………………………………………………………………….……………………...128
发送结构……………………………………………………………………………..………………………………..…128
接收结构………………………………………………………………………………….………………………………129
运行模式……………………………………………………………………………………..……..……………………129
块级功能…………………………………………………………………………………………..……….………………...130
信号和过载的分类…………………………………………………………………………..…………..……………130
总线接口………………………………..…………………………………………………..……………………………132
8b/10b……………………………………………..……………………………………….……………………………133
Vitesse 不一致性示例….......................................................................................................................... 139
Comma 字符检测………………………………….…………………………………….…………………………….140
64b/66b……………………………………………………..…………………………………..………………………..144
Xilinx vii
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