飛凌嵌入式LS1046A&LS1028A平臺的SerDes設計方案

目前我們已經發布了NXP的QorIQLS架構系列的幾款平臺，包含LS1046A、LS1043A、LS1028A、LS1012A。這幾款平臺都原生支援網口、PCIE、SATA等高速介面協議，很多使用者在產品選型和方案設計之初，對於硬體介面資源分配不熟悉，不遵守晶片規範使用導致專案出現問題，造成了嚴重損失。

本期我們就此係列平臺的SerDes資源分配做一篇文章。

LS系列產品的資源不可為不豐富，其中最讓人頭暈的當屬於SerDes協議。百度百科這樣解釋，SERDES是英文SERializer(序列器)/DESerializer(解串器)的簡稱。

它是一種主流的時分多路複用(TDM)、點對點(P2P)的序列通訊技術。即在傳送端多路低速並行訊號被轉換成高速序列訊號，經過傳輸媒體(光纜或銅線)，最後在接收端高速序列訊號重新轉換成低速並行訊號。這種點對點的序列通訊技術充分利用傳輸媒體的通道容量，減少所需的傳輸通道和器件引腳數目，提升訊號的傳輸速度，從而大大降低通訊成本。

我們先以最複雜的LS1046A做講解，參考NXP官方文件《LS1046ARM》。

PART.1 LS1046A

在下圖框圖中可以看到有2個SerDes模組，每個模組各有2個PLL，每個模組各有4lane，共有4個PLL，8條lane，有網口、PCIe、SATA功能。

在《LS1046 ARM》文件的“Chapter31 SerDes Module”章節，比較詳細的描述了這一部分，所以我也建議使用者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，只能在這些選項中選擇方案(所以不存在8條lane都配置成網口這種操作);後面ABCD列代表硬體上的訊號名稱和介面功能;最後兩列是時鐘PLL的配置，需要注意Mapping這個詞，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代表此方案不支援PCIe Gen3速度。

XFI，SGMII，QSGMII都是網路。SGMII.n表示1G速度，n是MAC;QSGMII包含4個MAC，每個都有1G的速度;XFI是10G的速度。配置網口必須注意MAC不能衝突。

PCIe.n的n表示PCIE標號，為了方便理解，可以認為n是RC(PCI Express root complex)標識，不可以配置衝突，舉例說SerDes1配置為1163，SerDes2配置為5559，這是不可以的!因為PCIe.1重複了。PCIe.nx4表示4條lane合併為一個PCIE RC，只可以接一個EP(endpoint device)裝置，那麼速度會x4翻倍。

SATA就不用多說了，從可選擇的方案中挑選出來就可以了。

選定好了每條lane的功能之後，還需要選擇SerDes參考時鐘。各功能需要的時鐘如下圖:

這就是我們需要配置的PLL1和PLL2，硬體和軟體需要同時做好。參考的時鐘源我們在核心板上已經做好，使用者不需要額外做這部分的硬體。 具體是這樣實現的:

SerDes2只有PCIE、SATA、SGMII(1.25G)的功能，這三個功能都可以參考100MHz時鐘，那麼我們的核心板上硬體已經固定死100MHz，只需要軟體去選擇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都可以設定為100MHz，所以我們在核心板中硬體固定死100MHz，PLL2可以參考100MHz和156.25MHz即可實現全部功能，我們從核心板引出一個SD1_REFCLK_SEL引腳，用於選擇100M，156M，然後軟體配置相對應的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。

可以關閉PLL來禁用對應的SerDes模組。

如果還是沒講清楚那麼我們舉個例子來說。假如有個專案需求1個萬兆網口，4個千兆網口，3個PCIEx1，1個SATA。

Serdes1模組選擇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模組選擇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

看到這裡大家有沒有覺得這個配置方案很熟悉啊，是的，我們飛凌釋出的OK1046A-C開發板就是採用的這個方案， 加上CPU原生的2路RGMII，共組成1萬兆+6千兆+3路pcie+1路SATA，實現了CPU介面資源最大化，可供使用者除錯開發。

講完了LS1046A平臺，其他平臺只有1個serdes模組，就比較簡單了。

為了加深大家對於飛凌LS10XX系列產品中serdes模組配置方案的理解，在本文第二部分，我們再講LS1028A平臺的SerDes設計方案做個簡單解讀。

PART.2 LS1028A

飛凌9月份釋出了NXP的LS系列家族新成員--FET1028A-C核心板。其包含豐富的高速介面:PCIE、SATA、USB、乙太網。與我們早已上市的LS1043A、LS1046A相同的是內含SerDes模組，不同的是LS1028A的乙太網口不一樣，因為內建TSN Switch，下面我們先詳細講這一部分。下圖是LS1028A的功能框圖:

以下內容參考NXP官方手冊《LS1028 ARM》，手冊可以在網站或者在我們的使用者資料裡獲取到。在使用核心板做方案設計時，建議使用者也翻一翻這個手冊。

網口switch介紹

乙太網系統由兩個元件組成:乙太網控制器(ENETC)和支援TSN的乙太網交換機。下圖描述了LS1028A中的乙太網子系統。

ENETC(乙太網NET控制器)是一個4埠虛擬化乙太網控制器，支援千兆級設計和時敏網路(TSN)功能，有兩個外部乙太網埠，兩個內部埠連線到該交換機，並且充當Cortex-A72 CPU與ENETC和支援TSN的乙太網交換機互動的PCI根聯合體整合端點。

具有TSN功能的乙太網交換機總共有6個埠:4個外部乙太網埠，以及兩個內部連線到ENETC的埠，用於交換資料和管理/控制功能。

TSN乙太網交換機核心包含5個10/100/1000/2500Mbps乙太網埠和1個10/100/1000Mbps乙太網埠。

概括起來就是LS1028A最多可以引出6個網口，且都支援TSN。

Serdes介紹

SerDes模組可以引出PCIE，SATA，和網口，前面講的ENETC中有5個網口都是透過SerDes引出的SGMII/QSGMII/QXGMII，這部分涉及到的硬體介面有SD1_TX[0:3]_P/N，SD1_RX[0:3]_P/N，SD1_REFx_CLK_P/N，TX/RX是傳送/接收資料的訊號線，CLK是輸入到SerDes的參考時鐘。

讓我們來看看SerDes模組的時鐘結構。

SerDes的參考時鐘源有2個，SYSCLK或者外部輸入的REF_CLK。SYSCLK是固定100MHz的頻率，當SerDes參考SYSCLK 100MHz的時候，有些介面功能是有限制的;使用外部的REF_CLK則可以靈活選擇配置時鐘。

Serdes方案

在LS1028A晶片中，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方案後還需要配置時鐘，根據前面的時鐘結構我們可以看到SerDes內部有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。

下圖是每種功能介面需要的參考時鐘頻率。

比如PCIE功能需要參考100MHz或者125MHz時鐘，因為我們的SYSCLK是100MHz的，就不需要額外再REF_CLK引腳上新增外部時鐘。一旦我們使用了2.5xSGMII或者USXGMII網路功能，SYSCLK就不符合需求了，就需要在REF_CLK引腳上輸入參考時鐘。

飛凌FET1028A-C核心板考慮到高性價比並覆蓋絕大部分應用場合，只做好了100MHz的SYSCLK時鐘，同時也將SD1_REFx_CLK_P/N引腳連線到聯結器中，允許使用者在設計中使用更高頻率的時鐘。

建議使用者在收到產品準備測試前，先看看手冊中的SerDes章節，這一部分很重要。希望這篇文章能對您的設計有所幫助，您也可以聯絡飛凌技術支援獲取幫助。