干貨丨LS1046A&LS1028A平臺(tái)的SerDes設(shè)計(jì)方案

原創(chuàng) 2020-10-28 17:01:00 LS1046A LS1028

目前我們已經(jīng)發(fā)布了NXP的QorIQLS架構(gòu)系列的幾款平臺(tái)，包含LS1046A、LS1043A、LS1028A、LS1012A。這幾款平臺(tái)都原生支持網(wǎng)口、PCIE、SATA等高速接口協(xié)議，很多用戶在產(chǎn)品選型和方案設(shè)計(jì)之初，對(duì)于硬件接口資源分配不熟悉，不遵守芯片規(guī)范使用導(dǎo)致項(xiàng)目出現(xiàn)問(wèn)題，造成了嚴(yán)重?fù)p失。

本期我們就此系列平臺(tái)的SerDes資源分配做一篇文章。

LS系列產(chǎn)品的資源不可為不豐富，其中最讓人頭暈的當(dāng)屬于SerDes協(xié)議。百度百科這樣解釋，SERDES是英文SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)的簡(jiǎn)稱。

它是一種主流的時(shí)分多路復(fù)用(TDM)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(P2P)的串行通信技術(shù)。即在發(fā)送端多路低速并行信號(hào)被轉(zhuǎn)換成高速串行信號(hào)，經(jīng)過(guò)傳輸媒體(光纜或銅線)，最后在接收端高速串行信號(hào)重新轉(zhuǎn)換成低速并行信號(hào)。這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行通信技術(shù)充分利用傳輸媒體的信道容量，減少所需的傳輸信道和器件引腳數(shù)目，提升信號(hào)的傳輸速度，從而大大降低通信成本。

我們先以最復(fù)雜的LS1046A做講解，參考NXP官方文檔《LS1046ARM》。

PART.1  LS1046A

在下圖框圖中可以看到有2個(gè)SerDes模塊，每個(gè)模塊各有2個(gè)PLL，每個(gè)模塊各有4lane，共有4個(gè)PLL，8條lane，有網(wǎng)口、PCIe、SATA功能。

在《LS1046 ARM》文檔的“Chapter31 SerDes Module”章節(jié)，比較詳細(xì)的描述了這一部分，所以我也建議用戶在制定方案前看一看這一部分。我們列出所有LS1046A的 SerDes功能：

第一列是RCW位，只能在這些選項(xiàng)中選擇方案（所以不存在8條lane都配置成網(wǎng)口這種操作）；后面ABCD列代表硬件上的信號(hào)名稱和接口功能；最后兩列是時(shí)鐘PLL的配置，需要注意Mapping這個(gè)詞，表示你需要配置PLL1還是PLL2，舉例：2222代表ABCD4條lane都使用PLL2，2211代表AB lane使用PLL2，CD lane使用PLL1，not available代表此方案不支持PCIe Gen3速度。

XFI，SGMII，QSGMII都是網(wǎng)絡(luò)。SGMII.n表示1G速度，n是MAC；QSGMII包含4個(gè)MAC，每個(gè)都有1G的速度；XFI是10G的速度。配置網(wǎng)口必須注意MAC不能沖突。

PCIe.n的n表示PCIE標(biāo)號(hào)，為了方便理解，可以認(rèn)為n是RC（PCI Express root complex）標(biāo)識(shí)，不可以配置沖突，舉例說(shuō)SerDes1配置為1163，SerDes2配置為5559，這是不可以的！因?yàn)镻CIe.1重復(fù)了。PCIe.nx4表示4條lane合并為一個(gè)PCIE RC，只可以接一個(gè)EP（endpoint device）設(shè)備，那么速度會(huì)x4翻倍。


SATA就不用多說(shuō)了，從可選擇的方案中挑選出來(lái)就可以了。

選定好了每條lane的功能之后，還需要選擇SerDes參考時(shí)鐘。各功能需要的時(shí)鐘如下圖：

這就是我們需要配置的PLL1和PLL2，硬件和軟件需要同時(shí)做好。參考的時(shí)鐘源我們?cè)?a href="http://www.powerye.cn" class="tag-link">核心板上已經(jīng)做好，用戶不需要額外做這部分的硬件。 具體是這樣實(shí)現(xiàn)的：


SerDes2只有PCIE、SATA、SGMII（1.25G）的功能，這三個(gè)功能都可以參考100MHz時(shí)鐘，那么我們的核心板上硬件已經(jīng)固定死100MHz，只需要軟件去選擇PLL即可。

SerDes1有SGMII（1.25G），SGMII（3.125G），QSGMII，XFI，PCIE功能，我們看Table31-4表中這些功能的PLL1都可以設(shè)置為100MHz，所以我們?cè)诤诵陌逯杏布潭ㄋ?00MHz，PLL2可以參考100MHz和156.25MHz即可實(shí)現(xiàn)全部功能，我們從核心板引出一個(gè)SD1_REFCLK_SEL引腳，用于選擇100M，156M，然后軟件配置相對(duì)應(yīng)的PLL即可。

所以使用我們的核心板S2的PLL1，PLL2只能選100MHz；S1_PLL1只有100MHz，S1_PLL2在100M和156M之間做選擇。

可以關(guān)閉PLL來(lái)禁用對(duì)應(yīng)的SerDes模塊。

如果還是沒(méi)講清楚那么我們舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)。假如有個(gè)項(xiàng)目需求1個(gè)萬(wàn)兆網(wǎng)口，4個(gè)千兆網(wǎng)口，3個(gè)PCIEx1，1個(gè)SATA。

 

Serdes1模塊選擇RCW為1040：

XFI.9參考serdes1的PLL2，將S1的PLL2寫為1：156MHz

QSGMII參考serdes1的PLL1，將S1的PLL1寫為0：100MHz

 

SerDes2模塊選擇RCW為5559：（PCIEGen3不可用，Gen2速度為5Gbps）。

PCIe.1，PCIe.2，PCIe.3參考serdes2的PLL2，將S2的PLL2寫為0：100MHz

SATA參考serdes2的PLL1，將S2的PLL1寫為0：100MHz

看到這里大家有沒(méi)有覺(jué)得這個(gè)配置方案很熟悉啊，是的，我們飛凌發(fā)布的OK1046A-C開(kāi)發(fā)板就是采用的這個(gè)方案， 加上CPU原生的2路RGMII，共組成1萬(wàn)兆+6千兆+3路pcie+1路SATA，實(shí)現(xiàn)了CPU接口資源最大化，可供用戶調(diào)試開(kāi)發(fā)。

講完了LS1046A平臺(tái)，其他平臺(tái)只有1個(gè)serdes模塊，就比較簡(jiǎn)單了。

為了加深大家對(duì)于飛凌LS10XX系列產(chǎn)品中serdes模塊配置方案的理解，在本文第二部分，我們?cè)僦vLS1028A平臺(tái)的SerDes設(shè)計(jì)方案做個(gè)簡(jiǎn)單解讀。


PART.2 LS1028A

飛凌9月份發(fā)布了NXP的LS系列家族新成員——FET1028A-C核心板。其包含豐富的高速接口：PCIE、SATA、USB、以太網(wǎng)。與我們?cè)缫焉鲜械腖S1043A、LS1046A相同的是內(nèi)含SerDes模塊，不同的是LS1028A的以太網(wǎng)口不一樣，因?yàn)閮?nèi)置TSN Switch，下面我們先詳細(xì)講這一部分。下圖是LS1028A的功能框圖：

以下內(nèi)容參考NXP官方手冊(cè)《LS1028 ARM》，手冊(cè)可以在網(wǎng)站或者在我們的用戶資料里獲取到。在使用核心板做方案設(shè)計(jì)時(shí)，建議用戶也翻一翻這個(gè)手冊(cè)。

網(wǎng)口switch介紹

以太網(wǎng)系統(tǒng)由兩個(gè)組件組成：以太網(wǎng)控制器（ENETC）和支持TSN的以太網(wǎng)交換機(jī)。下圖描述了LS1028A中的以太網(wǎng)子系統(tǒng)。

ENETC（以太網(wǎng)NET控制器）是一個(gè)4端口虛擬化以太網(wǎng)控制器，支持千兆級(jí)設(shè)計(jì)和時(shí)敏網(wǎng)絡(luò)（TSN）功能，有兩個(gè)外部以太網(wǎng)端口，兩個(gè)內(nèi)部端口連接到該交換機(jī)，并且充當(dāng)Cortex-A72 CPU與ENETC和支持TSN的以太網(wǎng)交換機(jī)交互的PCI根聯(lián)合體集成端點(diǎn)。

具有TSN功能的以太網(wǎng)交換機(jī)總共有6個(gè)端口：4個(gè)外部以太網(wǎng)端口，以及兩個(gè)內(nèi)部連接到ENETC的端口，用于交換數(shù)據(jù)和管理/控制功能。

TSN以太網(wǎng)交換機(jī)核心包含5個(gè)10/100/1000/2500Mbps以太網(wǎng)端口和1個(gè)10/100/1000Mbps以太網(wǎng)端口。

概括起來(lái)就是LS1028A最多可以引出6個(gè)網(wǎng)口，且都支持TSN。

Serdes介紹

SerDes模塊可以引出PCIE，SATA，和網(wǎng)口，前面講的ENETC中有5個(gè)網(wǎng)口都是通過(guò)SerDes引出的SGMII/QSGMII/QXGMII，這部分涉及到的硬件接口有SD1_TX[0:3]_P/N，SD1_RX[0:3]_P/N，SD1_REFx_CLK_P/N，TX/RX是發(fā)送/接收數(shù)據(jù)的信號(hào)線，CLK是輸入到SerDes的參考時(shí)鐘。

讓我們來(lái)看看SerDes模塊的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)。

SerDes的參考時(shí)鐘源有2個(gè)，SYSCLK或者外部輸入的REF_CLK。SYSCLK是固定100MHz的頻率，當(dāng)SerDes參考SYSCLK 100MHz的時(shí)候，有些接口功能是有限制的；使用外部的REF_CLK則可以靈活選擇配置時(shí)鐘。

Serdes方案表
輸入文字

在LS1028A芯片中，SerDes可以配置下表的功能，不在表中的搭配是不允許使用的。

選定SesDes方案后還需要配置時(shí)鐘，根據(jù)前面的時(shí)鐘結(jié)構(gòu)我們可以看到SerDes內(nèi)部有PLL1和PLL2，PCIeGen1/2 PLL mapping這一列就是我們需要配置PLL1還是PLL2，比如2211，表示laneA和laneB選擇PLL2，laneC和laneD選擇PLL1。

下圖是每種功能接口需要的參考時(shí)鐘頻率。

比如PCIE功能需要參考100MHz或者125MHz時(shí)鐘，因?yàn)槲覀兊腟YSCLK是100MHz的，就不需要額外再REF_CLK引腳上添加外部時(shí)鐘。一旦我們使用了2.5xSGMII或者USXGMII網(wǎng)絡(luò)功能，SYSCLK就不符合需求了，就需要在REF_CLK引腳上輸入?yún)⒖紩r(shí)鐘。

飛凌FET1028A-C核心板考慮到高性價(jià)比并覆蓋絕大部分應(yīng)用場(chǎng)合，只做好了100MHz的SYSCLK時(shí)鐘，同時(shí)也將SD1_REFx_CLK_P/N引腳連接到連接器中，允許用戶在設(shè)計(jì)中使用更高頻率的時(shí)鐘。

 

建議用戶在收到產(chǎn)品準(zhǔn)備測(cè)試前，先看看手冊(cè)中的SerDes章節(jié)，這一部分很重要。希望這篇文章能對(duì)您的設(shè)計(jì)有所幫助，您也可以聯(lián)系飛凌技術(shù)支持獲取幫助。

 

 

 

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