Xilinx关于Aurora IP核仿真和使用

平台：vivado2017.4

芯片：xc7k325tfbg676-2 (active)

关于Aurora的开发学习。使用xilinx官方提供的IP核。

官方资料，pg046-aurora-8b10b.pdf和pg074-aurora-64b66b-en-us-12.0.pdf。

IP核的生成步骤

首先在IP Catalog中搜索Aurora IP核关于此IP有两种不同的IP，分别对应两种不同的编码方式和两份文档（PG046和PG074）。

这里先选择Aurora 8B/10B。

Component name	IP默认的名字
Lane width	选择在IP中使用的收发器字节宽度，以及TX和RX位宽。
Lane rate	范围0.5-6.6Gb/s。（64B/66B模式下支持10.3.125）。核心的总数据速率为（0.8*lane rate）
GT Refclk（MHZ）	参考时钟频率，取决于所选择的lane rate。
INIT clk（MHZ）	输入一个有效的INIT时钟速率。
DRP clk（MHZ）	输入一个有效的DRP时钟频率。（INIT clk和DRP clk相同）
Dataflow Mode	通信模式。仅TX和仅RX已经全双工。
Interface	接口模式，可以选择Framing和Streaming两种模式。
Flow Control	流控。 UFC允许用户应用程序发送一个简短的、高优先级的消息。 NFC允许全双工接收器调节发送给他们的数据速率。 Immediate允许在数据帧中插入空闲代码。 Completion 只在完整的数据帧之间插入空闲代码。
Back Channel	默认。
Use Scrambler/Descrambler	使用加扰器和解扰器，为了确保在长时间内不出现重复的数据。默认不使用。
Little Endian Support	小端模式，数据传输时先传输高位为大端模式，先传输低位为小端模式。
Vivado Lab Tools	此选项将为example project创建ila在线逻辑分析仪。
Use CRC	用以检测一个数据包是否在传输中发生错误。

第二页设置

GT选择

在学习GTX的时候知道，一个Quad里面有四组GTXE2_CHANNEL，一个QPLL和一对差分输入。每个GTXE2_CHANNEL包含一组TX和RX，以及一个CPLL。

这里lane可以选择为1到16个。默认选择一个。

第三页

共享逻辑选择

默认将共享逻辑放入example design

IP核的接口和含义

下面我们看一下IP核的整体接口。分别介绍IP的各个接口的意义。

用户测端口介绍。

名字	方向	时钟域	描述
USER_DATA_S_AXI_TX
s_axi_tx_tdata	输入	user_clk	正在输出的数据
s_axi_tx_tready	输出	user_clk	核已经准备好发送数据
s_axi_tx_tlast	输入	user_clk	当前发送的最后一个数据
s_axi_tx_tkeep	输入	user_clk	指定最后一个数据中的有效字节。
s_axi_tx_tvalid	输入	user_clk	用户发送数据有效。
USER_DATA_S_AXI_TX
m_axi_rx_tdata	输出	user_clk	接收的数据
m_axi_rx_tlast	输出	user_clk	最后一个数据
m_axi_rx_tkeep	输出	user_clk	最后一个数据中的有效字节。
m_axi_rx_tvalid	输出	user_clk	接收的数据有效

状态和控制端口

名字	方向	时钟域	描述
Channel up	输出	user_clk	当Aurora 8B/10B通道初始化完成且该通道已准备好进行数据传输时有效。
lane_up	输出	user_clk	在成功初始化时为每个lane断言，每个位代表一个lane。
frame_err	输出	user_clk	检测到信道帧/协议错误
hard_err	输出	user_clk	检测到硬错误（在Aurora 8B/10B核心复位之前确认）
soft_err	输出	user_clk	在传入的串行流中检测到软错误
reset	输入	async	重置Aurora 8B/10B核心（活动-高）。该信号必须断言至少6个user_clk周期。
gt_reset	输入	async	收发器的复位信号通过解冻器连接到顶层。在硬件中首次启动模块时，应断言gt_reset端口。这将系统地重置收发器的所有物理编码子层（PCS）和物理介质附件（PMA）子组件。信号使用init_clk_in，必须断言6个init_clk_in周期。
link_reset_out	输出	init_clk	热插拔计数过期驱动高
init_clk_in	输入	NA	init_clk_in端口是必需的，因为user_clk会在断言gt_reset时停止。建议为init_clk_in选择的频率应低于GT参考时钟输入频率。

时钟接口

名字	方向	描述
pll_not_locked	输入	如果使用PLL作为Aurora核心生成时钟，则pll_not_locked信号应该连接到PLL锁定信号的倒数。如果PLL不用于Aurora8B/10B核心生成时钟信号。则将pll_not_locked接地。
user_clk	输入	核和用户应用程序共享的并行时钟。
sync_clk	输入	由收发器内部同步逻辑所使用的并行时钟。

用户侧数据接口时序。

Framing Interface

Streaming Interface

接口的数据传输都是在AXI总线下完成的，

Framing模式下：发送tvalid和tready同时有效时数据有效，同时需要tlast指示当前最后一个数据。接收时tvalid有效时数据有效，tlast指示最后一个数据。

Streaming模式下：发送tvalid和tready同时有效时数据有效。接收时tvalid有效时数据有效。感兴趣可以去看一下AXI总线协议。在来理解这个就很简单了。

(161条消息) AXI总线，AXI_BRAM读写仿真测试_爱漂流的易子的博客-CSDN博客

Aurora 8B/10B模式下的工程仿真

现在打开example project

打开设计示例，可以看到该示例

示例的工程结构和GTX的例子工程结构一致的。

模块	作用
aurora_8b10b_0_support	例化Aurora，例化时钟，复位，原语等。
aurora_8b10b_0_CLOCK_MODULE	产生user_clk和sync_clk等时钟
aurora_8b10b_0_SUPPORT_RESET_LOGIC	产生系统复位和GT复位
aurora_8b10b_0_gt_common_wrapper	例化GTX原语
aurora_8b10b_0_LL_TO_AXI_EXDES	将FRAME_GEN产生的数据信号转化为AXI信号。
aurora_8b10b_0_FRAME_GEN	重要模块，TX数据产生模块。
aurora_8b10b_0_AXI_TO_LL_EXDES	将核接收到的数据转换为RX数据
aurora_8b10b_0_FRAME_CHECK	检查接收到的数据，是否正常。

为了方便测试，我们先看一下xilinx提供的TB的结构。

模块之间RX和TX互连。

下面分析一下aurora_8b10b_0_FRAME_GEN模块。让数据动起来。从模块的代码中可以看到，FRAMEE_GEN模块发送提供的代码为生成Generate random data using XNOR feedback LFSR。

    //______________________________ Transmit Data  __________________________________   
    //Generate random data using XNOR feedback LFSR
    always @(posedge USER_CLK)
        if(reset_c)
        begin
            data_lfsr_r          <=  `DLY    16'hABCD;  //random seed value
        end
        else if(!TX_DST_RDY_N && !idle_r)
        begin
            data_lfsr_r          <=  `DLY    {!{data_lfsr_r[3]^data_lfsr_r[12]^data_lfsr_r[14]^data_lfsr_r[15]},data_lfsr_r[0:14]};
        end

产生随机数。在这之前需要了解一下LocalLink和AXI4-Stream总线之间的转换，xilinx提供的example模板是使用的LocalLink总线数据收发，后来改成了AXI4-Stream，我们需要先了解一下各个信号的对应关系。当然也可以不使用xilinx提供的example project工程思路，直接使用AXI总线向Aurora IP核内发数据，结果也是一致的。

先看一下两者的转换代码。

///
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//
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// PART OF THIS FILE AT ALL TIMES.
//
//
///
//
//  LL_TO_AXI
//
//
//  Description: This light wrapper/shim convertes Legacy LocalLink interface
//               signals to AXI-4 Stream protocol signals
//
//
///

`timescale 1 ns/1 ps
(* core_generation_info = "aurora_8b10b_0,aurora_8b10b_v11_1_3,{user_interface=AXI_4_Streaming,backchannel_mode=Sidebands,c_aurora_lanes=1,c_column_used=left,c_gt_clock_1=GTXQ0,c_gt_clock_2=None,c_gt_loc_1=1,c_gt_loc_10=X,c_gt_loc_11=X,c_gt_loc_12=X,c_gt_loc_13=X,c_gt_loc_14=X,c_gt_loc_15=X,c_gt_loc_16=X,c_gt_loc_17=X,c_gt_loc_18=X,c_gt_loc_19=X,c_gt_loc_2=X,c_gt_loc_20=X,c_gt_loc_21=X,c_gt_loc_22=X,c_gt_loc_23=X,c_gt_loc_24=X,c_gt_loc_25=X,c_gt_loc_26=X,c_gt_loc_27=X,c_gt_loc_28=X,c_gt_loc_29=X,c_gt_loc_3=X,c_gt_loc_30=X,c_gt_loc_31=X,c_gt_loc_32=X,c_gt_loc_33=X,c_gt_loc_34=X,c_gt_loc_35=X,c_gt_loc_36=X,c_gt_loc_37=X,c_gt_loc_38=X,c_gt_loc_39=X,c_gt_loc_4=X,c_gt_loc_40=X,c_gt_loc_41=X,c_gt_loc_42=X,c_gt_loc_43=X,c_gt_loc_44=X,c_gt_loc_45=X,c_gt_loc_46=X,c_gt_loc_47=X,c_gt_loc_48=X,c_gt_loc_5=X,c_gt_loc_6=X,c_gt_loc_7=X,c_gt_loc_8=X,c_gt_loc_9=X,c_lane_width=2,c_line_rate=31250,c_nfc=false,c_nfc_mode=IMM,c_refclk_frequency=125000,c_simplex=false,c_simplex_mode=TX,c_stream=false,c_ufc=false,flow_mode=None,interface_mode=Framing,dataflow_config=Duplex}" *)
module aurora_8b10b_0_LL_TO_AXI_EXDES #
(
    parameter            DATA_WIDTH         = 16, // DATA bus width
    parameter            STRB_WIDTH         = 2, // STROBE bus width
    parameter            USE_UFC_REM        = 0, // UFC REM bus width identifier
    parameter            USE_4_NFC          = 0, // 0 => PDU, 1 => NFC, 2 => UFC 
    parameter            BC                 =  DATA_WIDTH/8, //Byte count
    parameter            REM_WIDTH          = 1 // REM bus width
   
)
(

    // LocalLink input Interface
    LL_IP_DATA,
    LL_IP_SOF_N,
    LL_IP_EOF_N,
    LL_IP_REM,
    LL_IP_SRC_RDY_N,
    LL_OP_DST_RDY_N,

    // AXI4-S output signals
    AXI4_S_OP_TVALID,
    AXI4_S_OP_TDATA,
    AXI4_S_OP_TKEEP,
    AXI4_S_OP_TLAST,
    AXI4_S_IP_TREADY

);

`define DLY #1

//***********************************Port Declarations*******************************

    // AXI4-Stream TX Interface
     output     [(DATA_WIDTH-1):0]     AXI4_S_OP_TDATA;
     output     [(STRB_WIDTH-1):0]     AXI4_S_OP_TKEEP;
    output                            AXI4_S_OP_TVALID;
    output                            AXI4_S_OP_TLAST;
    input                             AXI4_S_IP_TREADY;


    // LocalLink TX Interface
    input      [0:(DATA_WIDTH-1)]     LL_IP_DATA;
    input      [0:(REM_WIDTH-1)]      LL_IP_REM;
    input                             LL_IP_SOF_N;
    input                             LL_IP_EOF_N;
    input                             LL_IP_SRC_RDY_N;
    output                            LL_OP_DST_RDY_N;

 wire     [0:(STRB_WIDTH-1)]     AXI4_S_OP_TKEEP_i;

//*********************************Main Body of Code**********************************

  


generate
if(USE_4_NFC==0)
begin
  genvar i;
  for (i=0; i

可以看到：

AXI_DATA等于LL_DATA交换数据位值。

AXI_VALID等于LL_SRC_RDY的非。

AXI_LAST等于LL_EOF的非。

AXI_KEEP与LL_REM参数有关。

LL_DST_RDY等于AXI_READY有关。

从仿真图中也可以看出来。

所以我们在FRAMEE_GEN模块中修改数据发送代码如下。

    //______________________________ Transmit Data  __________________________________   
    //Generate random data using XNOR feedback LFSR
    always @(posedge USER_CLK)
        if(reset_c)
        begin
            data_lfsr_r          <=  `DLY    16'hABCD;  //random seed value
        end
        else if(!TX_DST_RDY_N && !idle_r)
        begin
            if(data_lfsr_r == 16'hABCD)
                    data_lfsr_r  <=  `DLY    16'h0000;
            else
                    data_lfsr_r  <=  `DLY    data_lfsr_r    + 16'h1;
        end
  
 
  
    //Connect TX_D to the DATA LFSR
    assign  TX_D    =   {1{data_lfsr_r}};
  
    //Tie DATA LFSR to REM to generate random words
//    assign  TX_REM  = data_lfsr_r[0:0];
assign  TX_REM  = 1'b1;

发送从0递增的有效数据。这里也可以设置为从FIFO中读出数据（好应用）。我们这里直接将发送的第一个数据设置为0，在后续的情况下，数据值累加。并设置TX_REM为一，保证最后一个传输的数据位全部有效。

同时在接收模块，设置接收的验证数据也是从0递增的。判断是否出现错误数据。

    //generate expected RX_D using LFSR
    always @(posedge USER_CLK)
        if(reset_c)
        begin
//            data_lfsr_r          <=  `DLY    16'hD5E6;  //random seed value
            data_lfsr_r          <=  `DLY    16'h0000;  //random seed value
        end
        else if(CHANNEL_UP)
        begin
          if(data_valid_c)
//           data_lfsr_r          <=  `DLY    {!{data_lfsr_r[3]^data_lfsr_r[12]^data_lfsr_r[14]^data_lfsr_r[15]},data_lfsr_r[0:14]};
           begin
                   if(data_lfsr_r == 16'hABCD)
                           data_lfsr_r  <= `DLY 16'h0000;
                   else
                           data_lfsr_r          <=  `DLY    data_lfsr_r + 16'h1;
           end
        end
        else 
        begin
//           data_lfsr_r          <=  `DLY    16'hD5E6;  //random seed value
           data_lfsr_r          <=  `DLY    16'h0000;  //random seed value
        end 

    assign data_lfsr_concat_w = {1{data_lfsr_r}};

发送模块的仿真。可以看到发送的数据为0，1，2，3，4。

接收模块的仿真。可以看到接收的数据为0，1，2，3，4。