如何使用serdes

本文将深入探讨串行器与解串器（SerDes）技术的核心原理与应用实践，涵盖其基本工作机制、关键性能指标、常见协议标准以及在实际设计中的配置要点。文章旨在为工程师和开发者提供从基础理解到高级优化的系统指南，帮助读者掌握如何有效选择、配置并调试串行器与解串器（SerDes），以应对高速数据互连的挑战，提升系统设计的可靠性与性能。

       在现代数字系统的核心，尤其是在数据中心、高性能计算和通信设备中，数据的洪流以惊人的速度奔腾不息。连接处理器与内存、交换机与网卡、乃至芯片内部不同模块的“信息高速公路”，其带宽与可靠性直接决定了整个系统的效能。而在这条高速公路的起点与终点，担任着将并行车流汇聚成高速串行车队，以及将其还原重任的关键“交通枢纽”，便是串行器与解串器（SerDes）。掌握这项技术，就如同掌握了构建高速数字世界的基石。本文将从其根本原理出发，循序渐进地解析如何有效使用串行器与解串器（SerDes），涵盖设计、配置、调试与优化的全流程。

       理解串行器与解串器（SerDes）的基本架构

       要使用一件工具，首要的是理解其构造。串行器与解串器（SerDes）本质上是一个混合信号集成电路，它包含两个主要部分：发送端的串行器和接收端的解串器。发送端负责将来自芯片内部或其它接口的宽位并行数据，在时钟控制下，转换为高速的串行比特流。这个过程如同将多条车道上的车辆有序地引导到一条超高速车道上依次通行。接收端则执行相反的操作，从高速串行流中恢复出时钟信号，并准确地将数据比特流重新排列成原始的并行格式。其内部通常集成了时钟数据恢复电路、均衡器、锁相环等精密模块，共同确保数据在具有损耗和噪声的信道上可靠传输。

       明确应用场景与协议标准选择

       串行器与解串器（SerDes）并非一种通用的万能接口，它总是服务于特定的通信协议。因此，使用的第一步是根据系统需求选择合适的协议标准。例如，用于芯片间短距离互联的移动产业处理器接口（MIPI），用于处理器与外围设备快速连接的周边组件互连高速（PCIe），用于以太网物理层的光纤通道，以及用于背板连接的高速串行计算机扩展总线标准（SAS）等。每种协议都定义了独特的物理层、电气特性、编码方案和链路训练机制。选择时需综合考虑所需带宽、传输距离、功耗预算、成本以及生态支持度。

       关注核心性能指标：数据速率与通道损耗

       数据速率是衡量串行器与解串器（SerDes）能力的最直观指标，通常以每秒吉比特为单位。更高的速率意味着更大的带宽，但也对信号完整性提出了更严峻的挑战。信号在印刷电路板走线、电缆或连接器中传输时，会因介质损耗、反射和串扰而劣化，这种信道损耗随频率升高而加剧。因此，在选择或设计串行器与解串器（SerDes）时，必须预估信道在奈奎斯特频率处的插入损耗，并确保所选串行器与解串器（SerDes）的均衡能力能够补偿此损耗，以保证接收端眼图的张开度。

       掌握发送端关键配置：预加重与去加重

       为了对抗信道的高频损耗，现代串行器与解串器（SerDes）的发送端普遍采用了预加重或去加重技术。其原理是预先对发送信号的频谱进行整形，增强高频分量或削弱低频分量，使得信号经过信道衰减后，在接收端能获得相对平坦的频率响应，从而改善眼图质量。使用时需要根据实际信道特性，通过配置寄存器来调整加重系数或抽头权重。过度的加重会增大信号摆幅和功耗，并可能加剧电磁干扰；而加重不足则无法有效补偿损耗，导致误码率上升。

       掌握接收端关键配置：均衡器技术

       接收端的均衡器是信号恢复的最后一道，也是最关键的防线。连续时间线性均衡器（CTLE）通过提供一个高频增益来补偿信道损耗，它结构相对简单，功耗较低。判决反馈均衡器（DFE）则是一种非线性均衡器，它利用先前已判决的符号来消除码间干扰，对于深衰减信道效果显著，但存在错误传播的风险。在实际应用中，往往采用两者结合的混合均衡方案。用户需要根据系统裕量，精细调整均衡器的增益和抽头系数，以达到最佳的误码率性能。

       实施稳健的时钟数据恢复（CDR）方案

       接收端要从串行数据流中正确采样，必须恢复出与数据同步的时钟，这项工作由时钟数据恢复电路完成。常见的方案有基于相位插值器的数字锁相环和基于压控振荡器的模拟锁相环。时钟数据恢复（CDR）的环路带宽是一个关键参数：较宽的带宽能快速跟踪频率变化，但抗抖动能力较差；较窄的带宽能滤除高频抖动，但锁定时间较长。使用时需根据协议要求和系统的抖动容忍度进行折衷设置。此外，还需关注时钟数据恢复（CDR）的锁定指示信号，它是链路建立成功的重要标志。

       理解并配置链路训练与协商过程

       许多高速串行协议，如周边组件互连高速（PCIe）和通用串行总线（USB），都包含复杂的链路训练过程。在上电或复位后，链路两端的设备会通过发送特定的有序集进行“握手”，协商共同支持的最高数据速率、通道数量、均衡器设置等参数。这个过程通常是自动的，但开发者需要理解其状态机流程，并能通过调试接口监视训练状态。当链路无法建立时，分析训练失败阶段是定位问题的重要手段。有时也需要手动强制链路工作于较低的速率或特定模式以进行调试。

       精心进行印刷电路板（PCB）与信道设计

       串行器与解串器（SerDes）的性能高度依赖于物理实现。印刷电路板（PCB）设计必须遵循高速信号布局规则。差分走线应保持等长、等距，并采用连续的参考平面以减少阻抗不连续性。过孔数量应最小化，并使用背钻技术消除残桩。连接器和电缆的选择也至关重要，其阻抗匹配和带宽需满足系统要求。在系统设计初期，建议使用电磁场仿真工具对关键信道进行建模和仿真，预测其散射参数，为串行器与解串器（SerDes）的均衡器配置提供依据。

       电源完整性与噪声管理策略

       串行器与解串器（SerDes）的模拟和混合信号电路对电源噪声极其敏感。电源分配网络的设计必须提供干净、稳定的电压。这需要采用多层板，为高速电路提供独立的电源层和接地层，并使用大量去耦电容，包括大容值的储能电容和靠近电源引脚的小容值高频去耦电容。同时，模拟电源与数字电源之间应进行适当的隔离，例如使用磁珠或独立稳压器，以防止数字开关噪声耦合到敏感的锁相环和时钟数据恢复（CDR）电路中。

       利用内置自测试（BIST）与环回功能进行调试

       现代串行器与解串器（SerDes）芯片通常集成了丰富的调试功能。内置自测试（BIST）可以在不依赖外部设备的情况下，测试发送器和接收器的基本功能，如伪随机码序列生成与校验。环回模式则更为强大，包括近端模拟环回、远端数字环回等多种模式，允许将发送器的输出直接或间接地送回接收器，从而在系统级别隔离和验证串行器与解串器（SerDes）本身、信道或协议层的问题。熟练使用这些功能，能极大提高硬件调试的效率。

       执行系统级的信号完整性测试与验证

       当硬件板卡制作完成后，必须使用高速示波器、误码率测试仪等设备进行实测验证。眼图测试是评估信号质量最直观的方法，通过观察眼高、眼宽、抖动等参数，可以判断信号是否满足协议规范。更严格的验证需要进行浴盆曲线测试和总抖动分解，以确定系统的误码率边际。测试时需注意探头的接入方式，避免引入额外的负载和失真。同时，应在不同温度、电压的工艺角下进行测试，确保系统的稳健性。

       管理功耗与散热设计

       随着数据速率攀升，串行器与解串器（SerDes）的功耗已成为系统设计的重要考量。功耗主要来源于高速串行并行转换器、时钟电路和均衡器。许多器件提供了多种省电模式，如部分通道关闭、降低速率或进入休眠状态。在系统架构设计时，需要根据流量负载动态管理这些模式。高功耗也意味着高热耗散，必须为串行器与解串器（SerDes）芯片设计有效的散热方案，如使用散热片或强制风冷，防止芯片因过热而降频或损坏。

       关注静电放电（ESD）防护与可靠性

       串行器与解串器（SerDes）的高速输入输出引脚直接暴露在外部接口，极易受到静电放电（ESD）冲击。因此，在电路设计中，必须在接口处放置符合行业标准（如人体模型、机器模型）的静电放电（ESD）保护器件。这些保护器件的寄生电容必须足够小，以免劣化高速信号质量。此外，在长期可靠性方面，还需考虑信号引脚的长期直流偏置、热插拔支持能力等，确保产品在各种使用环境下稳定工作。

       紧跟技术演进：从非归零码到脉冲幅度调制（PAM4）

       为了在有限带宽的信道上进一步提升数据速率，行业正从传统的非归零码向更高效的调制技术演进。四电平脉冲幅度调制（PAM4）技术已成为400吉比特每秒及以上以太网的标准。它每个符号携带2比特信息，将有效数据速率翻倍，但代价是信噪比要求更高，对串行器与解串器（SerDes）的线性度和接收端模数转换器精度提出了挑战。使用支持四电平脉冲幅度调制（PAM4）的串行器与解串器（SerDes）时，需要更关注线性均衡和前向纠错（FEC）编码的配置。

       利用参考设计与厂商工具链

       对于初学者乃至经验丰富的工程师，充分利用芯片厂商提供的资源是成功的关键。大多数厂商会提供经过验证的参考设计，包括原理图、印刷电路板（PCB）布局文件和寄存器配置示例。这些是学习的绝佳起点。同时，厂商提供的配置软件、仿真模型和调试工具链能极大地简化开发流程。深入阅读并理解官方数据手册和应用笔记中的细节与限制条件，往往能避免许多潜在的设计陷阱。

       构建系统化的故障排查思维

       最后，使用串行器与解串器（SerDes）的过程不可能一帆风顺。当遇到链路不稳定、误码率高或训练失败等问题时，需要一套系统化的排查方法。应从最基本的电源和时钟检查开始，然后利用环回模式隔离问题域，再结合协议分析仪和示波器观察链路训练流程和信号质量。常见的问题根源包括电源噪声超标、参考时钟抖动过大、印刷电路板（PCB）阻抗不连续、均衡器配置不当或静电放电（ESD）器件选型错误等。建立清晰的排查流程图，能帮助快速定位并解决问题。

       总而言之，串行器与解串器（SerDes）是实现高速互连的核心引擎，其使用是一门融合了数字设计、模拟电路、信号完整性和系统架构的综合性技艺。从理解原理开始，到谨慎选择协议与器件，再到精心的硬件设计、细致的软件配置，以及严格的测试验证，每一步都至关重要。随着数据洪流持续奔涌，掌握并精通串行器与解串器（SerDes）技术，将成为工程师构建下一代高效能数字系统的关键能力。希望本文的梳理，能为您的设计之旅提供一份实用的路线图。