飞凌嵌入式LS1046A&LS1028A平台的SerDes设计方案

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目前我们已经发布了NXP的QorIQLS架构系列的几款平台，包含LS1046A、LS1043A、LS1028A、LS1012A。这几款平台都原生支持网口、PCIE、SATA等高速接口协议，很多用户在产品选型和方案设计之初，对于硬件接口资源分配不熟悉，不遵守芯片规范使用导致项目出现问题，造成了严重损失。

本期我们就此系列平台的serdes资源分配做一篇文章。

LS系列产品的资源不可为不丰富，其中最让人头晕的当属于SerDes协议。百度百科这样解释，SERDES是英文SERializer(串行器)/DESerializer(解串器)的简称。

它是一种主流的时分多路复用(TDM)、点对点(P2P)的串行通信技术。即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，经过传输媒体(光缆或铜线)，最后在接收端高速串行信号重新转换成低速并行信号。这种点对点的串行通信技术充分利用传输媒体的信道容量，减少所需的传输信道和器件引脚数目，提升信号的传输速度，从而大大降低通信成本。

我们先以最复杂的LS1046A做讲解，参考NXP官方文档《LS1046ARM》。

PART.1  LS1046A

在下图框图中可以看到有2个SerDes模块，每个模块各有2个PLL，每个模块各有4lane，共有4个PLL，8条lane，有网口、PCIe、SATA功能。

在《LS1046 ARM》文档的“Chapter31 SerDes Module”章节，比较详细的描述了这一部分，所以我也建议用户在制定方案前看一看这一部分。我们列出所有LS1046A的 SerDes功能：

第一列是RCW位，只能在这些选项中选择方案（所以不存在8条lane都配置成网口这种操作）；后面ABCD列代表硬件上的信号名称和接口功能；最后两列是时钟PLL的配置，需要注意Mapping这个词，表示你需要配置PLL1还是PLL2，举例：2222代表ABCD4条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都是网络。SGMII.n表示1G速度，n是MAC；QSGMII包含4个MAC，每个都有1G的速度；XFI是10G的速度。配置网口必须注意MAC不能冲突。

PCIe.n的n表示PCIE标号，为了方便理解，可以认为n是RC（PCI Express root complex）标识，不可以配置冲突，举例说SerDes1配置为1163，SerDes2配置为5559，这是不可以的！因为PCIe.1重复了。PCIe.nx4表示4条lane合并为一个PCIE RC，只可以接一个EP（endpoint device）设备，那么速度会x4翻倍。

SATA就不用多说了，从可选择的方案中挑选出来就可以了。

选定好了每条lane的功能之后，还需要选择SerDes参考时钟。各功能需要的时钟如下图：

这就是我们需要配置的PLL1和PLL2，硬件和软件需要同时做好。参考的时钟源我们在核心板上已经做好，用户不需要额外做这部分的硬件。 具体是这样实现的：

SerDes2只有PCIE、SATA、SGMII（1.25G）的功能，这三个功能都可以参考100MHz时钟，那么我们的核心板上硬件已经固定死100MHz，只需要软件去选择PLL即可。

SerDes1有SGMII（1.25G），SGMII（3.125G），QSGMII，XFI，PCIE功能，我们看Table31-4表中这些功能的PLL1都可以设置为100MHz，所以我们在核心板中硬件固定死100MHz，PLL2可以参考100MHz和156.25MHz即可实现全部功能，我们从核心板引出一个SD1_REFCLK_SEL引脚，用于选择100M，156M，然后软件配置相对应的PLL即可。

所以使用我们的核心板S2的PLL1，PLL2只能选100MHz；S1_PLL1只有100MHz，S1_PLL2在100M和156M之间做选择。

可以关闭PLL来禁用对应的SerDes模块。

如果还是没讲清楚那么我们举个例子来说。假如有个项目需求1个万兆网口，4个千兆网口，3个PCIEx1，1个SATA。

Serdes1模块选择RCW为1040：

XFI.9参考serdes1的PLL2，将S1的PLL2写为1：156MHz

QSGMII参考serdes1的PLL1，将S1的PLL1写为0：100MHz

SerDes2模块选择RCW为5559：（PCIEGen3不可用，Gen2速度为5Gbps）。

PCIe.1，PCIe.2，PCIe.3参考serdes2的PLL2，将S2的PLL2写为0：100MHz

SATA参考serdes2的PLL1，将S2的PLL1写为0：100MHz

看到这里大家有没有觉得这个配置方案很熟悉啊，是的，我们飞凌发布的OK1046A-C开发板就是采用的这个方案， 加上CPU原生的2路RGMII，共组成1万兆+6千兆+3路pcie+1路SATA，实现了CPU接口资源最大化，可供用户调试开发。

讲完了LS1046A平台，其他平台只有1个serdes模块，就比较简单了。

为了加深大家对于飞凌LS10XX系列产品中serdes模块配置方案的理解，在本文第二部分，我们再讲LS1028A平台的SerDes设计方案做个简单解读。

PART.2 LS1028A

飞凌9月份发布了NXP的LS系列家族新成员——FET1028A-C核心板。其包含丰富的高速接口：PCIE、SATA、USB、以太网。与我们早已上市的LS1043A、LS1046A相同的是内含SerDes模块，不同的是LS1028A的以太网口不一样，因为内置TSN Switch，下面我们先详细讲这一部分。下图是LS1028A的功能框图：

以下内容参考NXP官方手册《LS1028 ARM》，手册可以在网站或者在我们的用户资料里获取到。在使用核心板做方案设计时，建议用户也翻一翻这个手册。

网口switch介绍

以太网系统由两个组件组成：以太网控制器（ENETC）和支持TSN的以太网交换机。下图描述了LS1028A中的以太网子系统。

ENETC（以太网NET控制器）是一个4端口虚拟化以太网控制器，支持千兆级设计和时敏网络（TSN）功能，有两个外部以太网端口，两个内部端口连接到该交换机，并且充当Cortex-A72 CPU与ENETC和支持TSN的以太网交换机交互的PCI根联合体集成端点。

具有TSN功能的以太网交换机总共有6个端口：4个外部以太网端口，以及两个内部连接到ENETC的端口，用于交换数据和管理/控制功能。

TSN以太网交换机核心包含5个10/100/1000/2500Mbps以太网端口和1个10/100/1000Mbps以太网端口。

概括起来就是LS1028A最多可以引出6个网口，且都支持TSN。

Serdes介绍

SerDes模块可以引出PCIE，SATA，和网口，前面讲的ENETC中有5个网口都是通过SerDes引出的SGMII/QSGMII/QXGMII，这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是发送/接收数据的信号线，CLK是输入到SerDes的参考时钟。

让我们来看看SerDes模块的时钟结构。

SerDes的参考时钟源有2个，SYSCLK或者外部输入的REF_CLK。SYSCLK是固定100MHz的频率，当SerDes参考SYSCLK 100MHz的时候，有些接口功能是有限制的；使用外部的REF_CLK则可以灵活选择配置时钟。

Serdes方案表
输入文字

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许使用的。

选定SesDes方案后还需要配置时钟，根据前面的时钟结构我们可以看到SerDes内部有PLL1和PLL2，PCIeGen1/2 PLL mapping这一列就是我们需要配置PLL1还是PLL2，比如2211，表示laneA和laneB选择PLL2，laneC和laneD选择PLL1。

下图是每种功能接口需要的参考时钟频率。

比如PCIE功能需要参考100MHz或者125MHz时钟，因为我们的SYSCLK是100MHz的，就不需要额外再REF_CLK引脚上添加外部时钟。一旦我们使用了2.5xSGMII或者USXGMII网络功能，SYSCLK就不符合需求了，就需要在REF_CLK引脚上输入参考时钟。

飞凌FET1028A-C核心板考虑到高性价比并覆盖绝大部分应用场合，只做好了100MHz的SYSCLK时钟，同时也将SD1_REFx_CLK_P/N引脚连接到连接器中，允许用户在设计中使用更高频率的时钟。