串行解串器的关键技术及应用分析

作者：Michael Peffers，TI公司

本文我们将探讨串行解串器 （SerDes） 以及各种技术及其应用。

串行解串器是可将大位宽并行总线压缩成少量（通常为一条）差分串行链路的器件，该链路可在远远高于低速大位宽并行总线的速率下进行切换。串行解串器对大位宽并行总线进行了串行化，不仅可实现在系统内部、系统间或位于两个不同地点的系统间进行大量数据的点对点传输，同时还可降低功耗、板级空间和成本。下图 1 是串行解串器的基本概念。

图 1：串行∕解串

随着数据速率的增加，有关实施并行总线的问题也随之增多。较快总线比较慢总线功耗高，而且由于定时容差的降低，信道数量的增加，布局难度也越来越大。随着数据速率的增加，保持信道间的时滞也日益重要，原因是较大的时滞差异会导致系统定时问题，因为接收器需要按对齐位组在并行数据总线中进行时钟计时。此外，由于如今的设计日益紧凑，板级空间也格外珍贵，因此大型并行总线会消耗宝贵的 PCB 基板空间。串行解串器能够降低成本、功耗以及板级空间，可为上述设计挑战提供良好的解决方案。

我们首先用一个简单的串行解串器实例来描述基本工作原理，因为当前有些串行解串器器件可能比较难处理。时钟定时对于使用串行解串器的应用来说极为重要，因为一切都不能随机出现，必须在给定的时间内发生。系统时钟可分配给包括串行解串器在内的所有组件，以帮助实现同步工作。网络处理单元 （NPU） 或 FPGA 等终端器件不仅可在所需的系统频率下实现并行数据输出运行，而且还可连接至串行解串器器件的并行接口。并行数据可在系统时钟的时钟上升沿、下降沿或上升及下降沿上、在串行解串器 FIFO 中进行定时。数据怎么在 FIFO 中进行定时，取决于串行解串器厂商以及所针对的最终应用。

并行数据通常将编码为标准编码方案（例如 8B/10B 编码），因而适用于串行化。原始应用数据可能包含病态模式、长期运行的 1 和 0，这会使串行解串器难以捕捉位跳变。对数据进行编码能够消除病态模式，确保数据流的转换密集度平衡和 DC 平衡。未编码数据的另一个挑战是字符描述会在串行化过程中丢失，因此将数据编码为 10 位字符可确保接收器能够判定正确的字符描述。通常使用逗号字符（0011111 或 1100000）或 K28.5（0011111010 或 1100000101），也可使用其它同步字符。K28.5 字符由发送串行解串器针对接收器插入，从而可检测为对齐字符。串行化数据随后将通过介质送达接收串行解串器器件。下图 2 是 8B/10B 编码实例。

图 2：8B/10B 编码

该接收串行解串器可将流入的比特流（表现为电压摆幅）转换为数字比特流。此外，该接收器还整合有时钟数据恢复电路 （CDR），其可从流入的 DC 平衡数据流中恢复字节时钟。接收串行解串器可运行自己的本地参考振荡器，但这不仅要与恢复的字节时钟相位对齐，而且还要用于为接收到的比特流时钟计时。接收到的比特流随后可进行解串，反馈至并行总线，送达等待中的终端器件。

TLK1501 是一款多千兆位收发器，可用于高速点对点数据传输系统。TLK1501 支持 16 位大并行接口，可在参考时钟上升沿读入数据。并行总线经过 8B/10B 编码并经过串行化后，通过差分高速介质进行有序传输。TLK1501 的接收器部分可接受 8B/10B 编码数据，对此，其 CDR 将锁定从输入数据流提取比特时钟并对该数据流进行重定时。串行数据流随后对齐到分开的 10 位字符边界，经过解码后通过 16 位总线传输至等待中的终端器件。TLK1501 是一款简洁的器件，采用它进行设计，可降低系统成本与功耗，缩小板级空间。

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