XILINX FPGA 高速收发器 GTP设计初探

XILINX 高速收发器GTP之配置

FPGA内嵌收发器相当于以太网中的PHY芯片，但更灵活更高效，线速率也在随着FPGA芯片的发展升级。本文对7系列FPGA内部高速收发器GTP IP核的配置和使用做些简单的总结，以备后续回顾重用。本文是我在读ug482 pg168 官方文档和一些网络资源后的一些个人见解，希望对有需要的朋友有所帮助。我们来逐页分析下IP核配置先导中内容：
1 GT Selection:

　　我用的是Atrix-7系列FPGA芯片，只能使用速率较低的GTP 收发器，所以类型无法选择。GTP收发器在我这个芯片中最高线速率可达6.6Gbps，具体最大数值会根据器件速度等级和封装有所不同，读者可自行查阅Data Sheet。很多Xilinx IP核都有Shared Logic，我理解是一些重用的部分，当多个地方需要用到这些资源时，将其放置在example design中可以节约硬件资源。

2 Line Rate,RefClk Selection

　　这一页比较重要。高速收发器支持多种标准协议，可以选择一个标准协议，这样后续的选项均已配置好了，然后根据自己的需求改动。此处选择Aurora 8b10b single lane 4byte。收发器发送和接收通道相互独立，可以选择不同的线速率和编码格式，此处均选择一个常见的较低速率3.125Gbps用于功能验证，参考时钟为125M。注意参考时钟为收发器输入时钟，频率必须与开发板上为GTP提供时钟的晶振一致。官方文档中关于外部参考时钟使用示意图如下：
　　
　　　　GTP有两个参考时钟输入端口，经差分-单端转换后通过两个PLL产生收发器发送和接收时钟。若TX和RX线速率一致使用同一个PLL产生时钟，否则需要使用两个不同的PLL。开发板中差分晶振连接GTPREFCLK0，且收发速率相同，故PLL Selection TX和RX均选择PLL0，TX Clock Source选择REFCLK0。这里我使用到两个收发器，根据开发板原理图和数据手册选择GTP_X0Y4和GTP_X0Y5.最后使能收发器内部的PRBS生成器和检测器，便于测试了链路性能。

3 Encoding and Clocking

　　GTP收发器内部处理带宽只有2byte，而GTX等速率更高的收发器是4byte，此处外部数据接口位宽选择32bit确保后期收发器使用部分的经验也适用于GTX等收发器。编码方式采样8B/10B编码，这是个比较重要的概念。这一编码方式最主要的目的是“直流平衡”，即根据特定的编码表实现数据传输过程中比特“0”和比特“1”的数量基本一致，且减少连0和连1的情况。编码后的数据流具有较多的跳变，有助于接收端时钟数据恢复（CDR）。DRP/System Clock Frequency是动态重配置或系统工作时钟，通过DRP可以让设计者根据所选线速率和定义的协议实时调整收发器参数，本人没有用到，新手就不要碰了。系统时钟选择100MHz，可通过外部PLL IP核产生。

　　第二个重要的部分就是Synchronization and Clocking。查看ug482相关部分：
　　
　　　　发送通道有两个并行时钟域：XCLK和TXUSRCLK。根据文档说明要保证数据正确传输，必须使用TX Buffer或者TX Phase Alignment。缺省情况下使用TX Buffer较为稳定且简单，但相比后者延迟较高。简单应用中使用Buffer即可，因此本例中TX Buffer和RX Buffer均选中。

　　TXUSERCLK的时钟源只能是由参考时钟驱动的TXOUTCLK，而RXUSERCLK的时钟源选择根据具体情况而定：
　　
　　　　总之就是，当使用同一个晶振作为发送器和接收器参考时钟源时，TXOUTCLK可以驱动RXUSRCLK；当使用不同晶振时，若使能clock correction才可以用TXOUTCLK驱动RXUSRCLK，否则要使用RXOUTCLK驱动。这里保持默认均使用TXOUTCLK驱动TXUSRCLK和RXUSRCLK。

4 Comma Alignment and Equalization

　　这里要引入comma码的概念。8B/10B编码表中有12个控制字符，以大写字母K开头，用于一些控制功能。K码中的comma码用于接收端时钟校准和数据对齐，K28.5（对应用户数据为16’hbc）最为常见。因为数据在链路中以串行方式传输，所以接收端必须对其进行串并转换。在这一过程中，由于无法直接找到串行比特流中的每个数据的最高位或最低位比特，即使已知并行数据位宽也不能顺利转换成与发送端一致的并行数据。看下user guide中示意图你就明白了：
　　
　　　　下边的RX Equalization是收发器自带的接收均衡器，用来补偿由于物理信道中的高频衰减引起的信号损伤，可以通过DRP动态调整，保持默认。

5 PCIE,SATA,PRBS
　　
这一页的功能就比较高级了，说实话我不会。有需要用到PCIE的朋友可以关注下，这个虽然比较复杂，但找工作还是很有优势的，很多招聘要求中都有写！此处只把最下边的PRBS相关端口选择上，便于测试用途。

6 CB and CC Sequence

　　Xilinx收发器IP核支持通道绑定，将多个收发器通道“绑定”成一个速率更高的传输通道，利用FIFO消除其间的延时不确定性。Clock correction是最后一个重要的点。先来看看RX通道的结构和弹性缓存概念。
　　
　　　　接收通道中同样有两个时钟域：从CDR恢复出的XCLK和接收通道工作时钟RXUSRCLK。RX通道使用RX Elastic Buffer来桥接两时钟域，但由于两者细微的差异会使缓存变空或溢出。为此引入时钟矫正，在发送端周期性发送一些特殊字符，接收端在弹性缓存快满时删除这些字符，快空时复制这些字符从而保证缓存内数据维持动态平衡的状态。
　　　　
本例只使用一个数据通道，此页保持默认配置，不做修改。

7 Summary

　　看下总结页，USRCLK的时钟频率是USRCLK2的2倍，这是因为收发器内部通道数据位宽仅是外部接口位宽的二分之一，因此频率必须增大一倍才能保证数据来得及处理。可以点OK了。本文对GTP IP核的配置做了简单分析和总结，仅适用于新手。本人也在学习中，有不妥之处请在评论中指教。

XILINX 高速收发器GTP之运用
　　
生成IP核后打开example design，先看看工程中包含的文件结构。

　　顶层文件下包含了gtp ip核系统顶层文件、frame_gen以及frame_check三类模块。frame_gen和frame_check用于测试过程中的数据包产生和接收检测（由于我在配置IP核时使能了两个通道，因此工程中有两组frame_gen和frame_check模块），gen模块读发送样式，check模块则将接收到数据与本地存储样式对比，从而判断数据传输是否正确。下面截取一段gen模块内代码：
　　
　　发现gen模块是通过系统函数 readmem读取gtrominittx.dat文件来初始化rom，发送数据则直接从rom中读取。虽然 r e a d m e m 读 取 g t r o m i n i t t x . d a t 文 件 来 初 始 化 r o m ， 发 送 数 据 则 直 接 从 r o m 中 读 取 。 虽 然 readmem和initial是不可综合语句，但其功能与.mif文件初始化ROM IP核是类似的。check模块与gen模块类似，但有一点比较值得借鉴。
　　　　
　　根据上边的注释可以看出，这个IP核在使用32bit用户数据位宽时，会发生错位现象。因此发送数据时所有comma码要放在32bit数据四个字节的同一字节中，最常见的是均放在最低字节，这样接收端可以根据控制字指示信号为1的位置找出错位情况，进而读数据进行重新对齐。比如当rxctrl == 4’b1000，则错误情况和重对齐方式如下：
　　　　　　
　　d0’代表上一个数据的最低字节部分。其他错位情况的重对齐方式同理，现在看下check模块中根据sel信号对接收数据重对齐的逻辑。
　　　　　　
　　可以看出重对齐方式与刚才讲的方法一致。因此当测试完毕后，去除frame_gen和frame_check模块并将gt数据端口开放到顶层后，接收端用户侧也要有类似的逻辑防止数据错位。

　　再来看下顶层文件中关于原语的使用：
　　IBUFDS是差分信号输入缓冲器，用来将差分信号变为单端信号。而BUFG是全局缓冲，其输出到达FPGA内部CLB IOB RAM的时钟延迟和抖动是最小的，从而使系统工作稳定。

　　最后，为保证最基本的通信功能，还需做三件事：
1. 去除gen和check逻辑块，并将用户数据端口开放到工程顶层；
2. 接收端用户侧例化数据重对齐模块保证接收正确；
3. 例化PLL产生100MHz时钟信号作为GTP子系统工作时钟；