Digital中的高速串行接口设计：SerDes实现技术

2026-02-05 05:32:30作者：舒璇辛Bertina

引言：从并行到串行的范式转换

在数字系统设计中，随着数据传输速率的不断提升，传统并行接口面临着信号线间串扰（Crosstalk）、同步困难和布线复杂度激增等问题。串行器/解串器（Serializer/Deserializer，SerDes）技术通过将并行数据转换为高速串行流进行传输，有效解决了这些挑战。本文将系统介绍如何在Digital（数字逻辑设计与仿真工具）中实现SerDes接口，包括底层电路设计、时序优化和验证方法，并提供基于74xx系列移位寄存器的可实现方案。

串行通信的核心优势

性能指标	并行接口	SerDes接口
信号线数量	N（数据）+ 2（时钟/地）	2（差分对）或1（单线）
最大传输速率	受限于同步时钟频率	可达并行速率的N倍
PCB布线难度	高（等长要求严格）	低（差分对布线简单）
抗干扰能力	弱（多线串扰）	强（差分信号）
功耗效率	低（多驱动电路）	高（单通道高速驱动）

SerDes系统架构与工作原理

SerDes系统主要由发送端（Serializer）、传输介质和接收端（Deserializer）三部分组成。在Digital环境中，我们可以利用现有逻辑元件构建完整的SerDes链路，其核心功能模块包括：

1. 基本架构

flowchart TD
    subgraph 发送端
        A[并行数据总线] -->|N位| B[并串转换器]
        C[时钟发生器] -->|高速时钟| B
        B --> D[差分驱动器]
    end
    
    D -->|串行信号| E[传输介质]
    
    subgraph 接收端
        F[差分接收器] -->|串行信号| G[串并转换器]
        C -->|恢复时钟| G
        G --> H[并行数据总线]
    end

2. 关键功能模块

并串转换（Serializer）：将N位并行数据逐位移入移位寄存器，在高速时钟控制下从串行输出端移出
串并转换（Deserializer）：将串行输入数据逐位移入移位寄存器，满N位后并行输出
时钟恢复（CDR）：从串行数据流中提取时钟信号，用于同步接收端
编码/解码：实现8B/10B等线路编码，提高信号完整性和错误检测能力

基于Digital实现SerDes的方案设计

Digital提供了丰富的标准逻辑元件库，特别是74xx系列集成电路模型，为SerDes设计提供了坚实基础。以下是基于现有元件的实现方案：

1. 串行器设计（基于74164移位寄存器）

74164是一款8位并行输出串行移位寄存器，具有异步清零功能，其内部结构如下：

classDiagram
    class 74164 {
        +DSA, DSB: 串行数据输入
        +CP: 时钟输入
        +~MR: 异步清零(低有效)
        +Q0-Q7: 并行数据输出
        +VCC, GND: 电源
        --
        8级D触发器级联
        输入与门控制
        异步清零逻辑
    }

关键特性：

串行数据通过DSA和DSB（逻辑与）输入
上升沿触发移位操作
异步清零信号(~MR)优先于时钟信号

串行器实现代码（Digital电路描述语言）：

<circuit>
  <version>1</version>
  <attributes>
    <entry>
      <string>Description</string>
      <string>8-bit SerDes Transmitter using 74164 shift register</string>
    </entry>
  </attributes>
  <visualElements>
    <!-- 74164移位寄存器作为串行器核心 -->
    <visualElement>
      <elementName>74164</elementName>
      <elementAttributes>
        <entry><string>Label</string><string>SERIALIZER</string></entry>
      </elementAttributes>
      <pos x="400" y="300"/>
    </visualElement>
    
    <!-- 并行数据输入 -->
    <visualElement>
      <elementName>In</elementName>
      <elementAttributes>
        <entry><string>Label</string><string>D0</string></entry>
        <entry><string>busWidth</string><int>8</int></entry>
      </elementAttributes>
      <pos x="200" y="300"/>
    </visualElement>
    
    <!-- 高速时钟输入 -->
    <visualElement>
      <elementName>Clock</elementName>
      <elementAttributes>
        <entry><string>frequency</string><double>10000000</double></entry>
        <entry><string>Label</string><string>CLK</string></entry>
      </elementAttributes>
      <pos x="200" y="400"/>
    </visualElement>
    
    <!-- 串行输出 -->
    <visualElement>
      <elementName>Out</elementName>
      <elementAttributes>
        <entry><string>Label</string><string>SER_OUT</string></entry>
      </elementAttributes>
      <pos x="600" y="300"/>
    </visualElement>
  </visualElements>
  <!-- 连接线路省略 -->
</circuit>

2. 解串器设计（基于74165并行加载移位寄存器）

接收端需要将串行数据转换回并行格式，可使用74165并行加载移位寄存器实现。其工作流程为：

接收串行数据并逐位移入寄存器
接收"加载"信号后将移位数据并行输出
通过状态机控制移位/加载周期

3. 完整SerDes链路设计

timeline
    title SerDes数据传输时序图
    section 发送端
        0ns : 并行数据 D0-D7 = 0x5A
        10ns: CLK上升沿，D0移出(SER_OUT=0)
        20ns: CLK上升沿，D1移出(SER_OUT=1)
        30ns: CLK上升沿，D2移出(SER_OUT=0)
        40ns: CLK上升沿，D3移出(SER_OUT=1)
        50ns: CLK上升沿，D4移出(SER_OUT=0)
        60ns: CLK上升沿，D5移出(SER_OUT=0)
        70ns: CLK上升沿，D6移出(SER_OUT=1)
        80ns: CLK上升沿，D7移出(SER_OUT=0)
    section 接收端
        80ns: 并行加载信号有效
        85ns: 并行输出 Q0-Q7 = 0x5A

时序分析与优化

高速串行通信对时序要求极为严格，在Digital环境中需特别关注以下参数：

1. 建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）

建立时间：数据在时钟沿到来前必须稳定的时间
保持时间：数据在时钟沿到来后必须保持稳定的时间

74164的典型建立时间为20ns，保持时间为5ns。为满足这些要求，发送端数据总线必须在时钟上升沿前至少20ns稳定。

2. 时钟频率与数据速率的关系

对于8位SerDes设计：

串行时钟频率 = 并行数据速率 × 8
例如：并行总线速率为1MHz时，串行时钟需为8MHz

时序约束设置（Digital仿真控制）：

# 设置时钟频率
set_clock -name CLK -frequency 8MHz [get_ports CLK]

# 设置输入延迟
set_input_delay -clock CLK -max 20ns [get_ports D*]

# 设置输出延迟
set_output_delay -clock CLK -max 15ns [get_ports SER_OUT]

设计验证与仿真

在Digital中验证SerDes设计的完整流程包括：

1. 功能验证

测试向量生成：创建包含随机数据、固定模式和边界条件的测试序列
眼图仿真：通过长时间采样观察串行信号的质量
误码率测试：统计在不同噪声和抖动条件下的错误比特数

2. 时序验证

使用Digital的时序分析工具检查：

最大频率（Fmax）
建立时间裕量（Setup Margin）
保持时间裕量（Hold Margin）

3. 测试电路设计

flowchart TB
    A[测试向量发生器] -->|并行数据| B[SerDes发送端]
    B --> C[传输通道模型]
    C --> D[SerDes接收端]
    D --> E[数据比较器]
    A -->|参考数据| E
    E --> F[错误计数器]
    F --> G[测试报告]