FPGA GTH aurora 8b/10b编解码 PCIE 板对板视频传输，提供2套工程源码加QT上位机源码和技术支持

1、前言

没玩过GT资源都不好意思说自己玩儿过FPGA，这是CSDN某大佬说过的一句话，鄙人深信不疑。。。
GT资源是Xilinx系列FPGA的重要卖点，也是做高速接口的基础，不管是PCIE、SATA、MAC等，都需要用到GT资源来做数据高速串化和解串处理，Xilinx不同的FPGA系列拥有不同的GT资源类型，低端的A7由GTP，K7有GTX，V7有GTH，更高端的U+系列还有GTY等，他们的速度越来越高，应用场景也越来越高端。。。

本文使用Xilinx的Virtex7 FPGA的GTH资源做视频传输实验，视频源有两种，分别对应开发者手里有没有摄像头的情况，一种是使用笔记本电脑模拟HDMI视频，silicon9011解码输入的HDMI为GRB后供FPGA使用；如果你得手里没有摄像头，或者你得开发板没有HDMI输入接口，则可使用代码内部生成的动态彩条模拟摄像头视频；视频源的选择通过代码顶层的`define宏定义进行，默认使用HDMI输入作为视频源；调用GTH IP核，用verilog编写视频数据的编解码模块和数据对齐模块，使用2块开发板硬件上的2个SFP光口实现数据的收发；本博客提供2套vivado工程源码，2套工程的不同点在于一套是GTH 发送，另一套是GTH 接收，然后解码后视频缓存至DDR3，调用XDMA读取视频，通过PCIE2.0总线将视频发送给电脑，电脑主机运行QT上位机程序实时采集并显示图像；本博客详细描述了FPGA GTH aurora 8b/10b编解码 PCIE 板对板视频传输的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、我这里已有的 GT 高速接口解决方案

我的主页有FPGA GT 高速接口专栏，该专栏有 GTP 、 GTX 、 GTH 、 GTY 等GT 资源的视频传输例程和PCIE传输例程，其中 GTP基于A7系列FPGA开发板搭建，GTX基于K7或者ZYNQ系列FPGA开发板搭建，GTH基于KU或者V7系列FPGA开发板搭建，GTY基于KU+系列FPGA开发板搭建；以下是专栏地址：
点击直接前往

3、GTH 全网最细解读

关于GTH 介绍最详细的肯定是Xilinx官方的《ug476_7Series_Transceivers》，我们以此来解读：
《ug476_7Series_Transceivers》的PDF文档我已放在了资料包里，文章末尾有获取方式；
我用到的开发板FPGA型号为Xilinx Virtex7 xc7vx690tffg1761-3；带有8路GTH 资源，其中2路连接到了2个SFP光口，每通道的收发速度为 500 Mb/s 到 10.3125 Gb/s 之间。GTH 收发器支持不同的串行传输接口或协议，比如 PCIE 1.1/2.0 接口、万兆网 XUAI 接口、OC-48、串行 RapidIO 接口、 SATA(Serial ATA) 接口、数字分量串行接口(SDI)等等；

GTH 基本结构

Xilinx 以 Quad 来对串行高速收发器进行分组，四个串行高速收发器和一个 COMMOM（QPLL）组成一个 Quad，每一个串行高速收发器称为一个 Channel(通道），下图为四路 GTH 收发器在Virtex7 FPGA 芯片中的示意图：《ug476_7Series_Transceivers》第24页；

GTH 的具体内部逻辑框图如下所示，它由四个收发器通道 GTHE2_CHANNEL原语 和一个GTHE2_COMMON 原语组成。每路GTHE2_CHANNEL包含发送电路 TX 和接收电路 RX，GTHE2_CHANNEL的时钟可以来自于CPLL或者QPLL，可在IP配置界面里配置；《ug476_7Series_Transceivers》第25页；

每个 GTHE2_CHANNEL 的逻辑电路如下图所示：《ug476_7Series_Transceivers》第26页；

GTHE2_CHANNEL 的发送端和接收端功能是独立的，均由 PMA(Physical Media Attachment，物理媒介适配层)和 PCS(Physical Coding Sublayer，物理编码子层)两个子层组成。其中 PMA 子层包含高速串并转换(Serdes)、预/后加重、接收均衡、时钟发生器及时钟恢复等电路。PCS 子层包含8B/10B 编解码、缓冲区、通道绑定和时钟修正等电路。
这里说多了意义不大，因为没有做过几个大的项目是不会理解这里面的东西的，对于初次使用或者想快速使用者而言，更多的精力应该关注IP核的调用和使用，后面我也会重点将到IP核的调用和使用；

GTH 发送和接收处理流程

首先用户逻辑数据经过 8B/10B 编码后，进入一个发送缓存区（Phase Adjust FIFO），该缓冲区主要是 PMA 子层和 PCS 子层两个时钟域的时钟隔离，解决两者时钟速率匹配和相位差异的问题，最后经过高速 Serdes 进行并串转换(PISO)，有必要的话，可以进行预加重(TX Pre-emphasis)、后加重。值得一提的是，如果在 PCB 设计时不慎将 TXP 和 TXN 差分引脚交叉连接，则可以通过极性控制(Polarity)来弥补这个设计错误。接收端和发送端过程相反，相似点较多，这里就不赘述了，需要注意的是 RX 接收端的弹性缓冲区，其具有时钟纠正和通道绑定功能。这里的每一个功能点都可以写一篇论文甚至是一本书，所以这里只需要知道个概念即可，在具体的项目中回具体用到，还是那句话：对于初次使用或者想快速使用者而言，更多的精力应该关注IP核的调用和使用。

GTH 的参考时钟

GTH 模块有两个差分参考时钟输入管脚(MGTREFCLK0P/N 和 MGTREFCLK1P/N），作为 GTH 模块的参考时钟源，用户可以自行选择。一般的A7系列开发板上，都有一路 148.5Mhz 的 GTH 参考时钟连接到 MGTREFCLK0上，作为 GTH 的参考时钟。差分参考时钟通过IBUFDS 模块转换成单端时钟信号进入到 GTHE2_COMMOM 的QPLL或CPLL中，产生 TX 和 RX 电路中所需的时钟频率。TX 和 RX 收发器速度相同的话，TX 电路和 RX 电路可以使用同一个 PLL 产生的时钟，如果 TX 和 RX收发器速度不相同的话，需要使用不同的 PLL 时钟产生的时钟。参考时钟这里Xilinx给出的GT参考例程已经做得很好了，我们调用时其实不用修改；GTH 的参考时钟结构图如下：《ug476_7Series_Transceivers》第31页；

GTH 发送接口

《ug476_7Series_Transceivers》的第107到165页详细介绍了发送处理流程，其中大部分内容对于用户而言可以不去深究，因为手册讲的基本都是他自己的设计思想，留给用户可操作的接口并不多，基于此思路，我们重点讲讲GTH 例化时留给用户的发送部分需要用到的接口；

用户只需要关心发送接口的时钟和数据即可，GTH 例化模块的这部分接口如下：


在代码中我已为你们重新绑定并做到了模块的顶层，代码部分如下：

GTH 接收接口

《ug476_7Series_Transceivers》的第167到295页详细介绍了发送处理流程，其中大部分内容对于用户而言可以不去深究，因为手册讲的基本都是他自己的设计思想，留给用户可操作的接口并不多，基于此思路，我们重点讲讲GTH 例化时留给用户的发送部分需要用到的接口；

用户只需要关心接收接口的时钟和数据即可，GTH 例化模块的这部分接口如下：


在代码中我已为你们重新绑定并做到了模块的顶层，代码部分如下：

GTH IP核调用和使用

有别于网上其他博主的教程，我个人喜欢用如下图的共享逻辑：

这样选择的好处有两个，一是方便DRP变速，二是便于IP核的修改，修改完IP核后直接编译即可，不再需要打开example工程，再复制下面的一堆文件放到自己的工程什么的，玩儿个GTH需要那么复杂么？

这里对上图的标号做解释：
1：线速率，根据自己的项目需求来，GTH的范围是0.5到13.1G，由于我的项目是视频传输，所以在GTH的速率范围内均可，本例程选择了5G；
2：参考时钟，这个得根据你的原理图来，可以是80M、125M、148.5M、156.25M等等，我的开发板是156.25M；
4：GTH组的绑定，这个很重要，他的绑定参考依据有两个，已是你的开发板原理图，而是官方的参考资料《ug476_7Series_Transceivers》，官方根据BANK不同将GTH资源分成了多组，由于GT资源是Xilinx系列FPGA的专用资源，占用专用的Bnak，所以引脚也是专用的，那么这些GTH组和引脚是怎么对应的呢？《ug476_7Series_Transceivers》的说明如下：红框内为的我的开发板原理图对应的FPGA引脚；

我的板子原理图如下：


选择外部数据位宽32bit的8b/10b编解码，如下：

下面这里讲的是K码检测：

这里选择K28.5，也就是所谓的COM码，十六进制为bc，他的作用很多，可以表示空闲乱序符号，也可以表示数据错位标志，这里用来标志数据错位，8b/10b协议对K码的定义如下：

下面讲的是时钟矫正，也就是对应GTH内部接收部分的弹性buffer；

这里有一个时钟频偏的概念，特别是收发双方时钟不同源时，这里设置的频偏为100ppm，规定每隔5000个数据包发送方发送一个4字节的序列，接收方的弹性buffer会根据这4字节的序列，以及数据在buffer中的位置来决定删除或者插入一个4字节的序列中的一个字节，目的是确保数据从发送端到接收端的稳定性，消除时钟频偏的影响；

4、设计思路框架

本博客提供2套vivado工程源码，2组工程的不同点在于一套是GTH 发送，另一套是GTH 接收后PCIE发送电脑端；我这里有2个FPGA开发板，记作开发板1和开发板2，两个开发板上均有HDMI输入和HDMI输出接口，2套vivado工程源码如下极其设计架构如下：

第1套vivado工程源码：GTH 作为发送端，FPGA开发板1采集视频，然后数据组包，通过GTH 做8b/10b编码后，通过板载的SFP光口的TX端发送出去；视频源有两种，分别对应开发者手里有没有摄像头的情况，一种是使用笔记本电脑模拟HDMI视频，silicon9011解码输入的HDMI为GRB后供FPGA使用；如果你得手里没有摄像头，或者你得开发板没有HDMI输入接口，则可使用代码内部生成的动态彩条模拟摄像头视频；视频源的选择通过代码顶层的`define宏定义进行，默认使用HDMI输入作为视频源；

第2套是GTH 接收，然后解码后视频缓存至DDR3，调用XDMA读取视频，通过PCIE2.0总线将视频发送给电脑，电脑主机运行QT上位机程序实时采集并显示图像；

视频源选择

视频源有两种，分别对应开发者手里有没有摄像头的情况，如果你的手里有摄像头，或者你的开发板有HDMI输入接口，则使用HDMI输入作为视频输入源，我这里用到的是笔记本模拟HDMI视频，silicon9011解码芯片解码HDMI；如果你得手里没有摄像头，或者你得开发板没有HDMI输入接口，则可使用代码内部生成的动态彩条模拟摄像头视频，动态彩条是移动的画面，完全可以模拟视频；默认使用HDMI输入作为视频源；视频源的选择通过代码顶层的`define宏定义进行；如下：

选择逻辑代码部分如下：

选择逻辑如下：
当(注释) define COLOR_TEST时，输入源视频是动态彩条；
当(不注释) define COLOR_TEST时，输入源视频是HDMI输入；

silicon9011解码芯片配置及采集

silicon9011解码芯片需要i2c配置才能使用，关于silicon9011解码芯片的配置和使用，请参考我往期的博客，博客地址：点击直接前往
silicon9011解码芯片配置及采集这两部分均用verilog代码模块实现，代码位置如下：

代码中配置为1920x1080分辨率；

动态彩条

动态彩条可配置为不同分辨率的视频，视频的边框宽度，动态移动方块的大小，移动速度等都可以参数化配置，我这里配置为辨率1920x1080，动态彩条模块代码位置和顶层接口和例化如下：

视频数据组包

由于视频需要在GTH中通过aurora 8b/10b协议收发，所以数据必须进行组包，以适应aurora 8b/10b协议标准；视频数据组包模块代码位置如下：

首先，我们将16bit的视频存入FIFO中，存满一行时就从FIFO读出送入GTH发送；在此之前，需要对一帧视频进行编号，也叫作指令，GTH组包时根据固定的指令进行数据发送，GTH解包时根据固定的指令恢复视频的场同步信号和视频有效信号；当一帧视频的场同步信号上升沿到来时，发送一帧视频开始指令 0，当一帧视频的场同步信号下降沿到来时，发送一帧视频开始指令 1，视频消隐期间发送无效数据 0 和无效数据 1，当视频有效信号到来时将每一行视频进行编号，先发送一行视频开始指令，在发送当前的视频行号，当一行视频发送完成后再发送一行视频结束指令，一帧视频发送完成后，先发送一帧视频结束指令 0，再发送一帧视频结束指令 1；至此，一帧视频则发送完成，这个模块不太好理解，所以我在代码里进行了详细的中文注释，需要注意的是，为了防止中文注释的乱序显示，请用notepad++编辑器打开代码；指令定义如下：

指令可以任意更改，但最低字节必须为bc；

GTH aurora 8b/10b

这个就是调用GTH做aurora 8b/10b协议的数据编解码，前面已经对GTH做了详细概述，这里不讲；代码位置如下：

数据对齐

由于GT资源的aurora 8b/10b数据收发天然有着数据错位的情况，所以需要对接受到的解码数据进行数据对齐处理，数据对齐模块代码位置如下：

我定义的 K 码控制字符格式为：XX_XX_XX_BC，所以用一个rx_ctrl 指示数据是否为 K 码 的 COM 符号；
rx_ctrl = 4’b0000 表示 4 字节的数据没有 COM 码；
rx_ctrl = 4’b0001 表示 4 字节的数据中[ 7: 0] 为 COM 码；
rx_ctrl = 4’b0010 表示 4 字节的数据中[15: 8] 为 COM 码；
rx_ctrl = 4’b0100 表示 4 字节的数据中[23:16] 为 COM 码；
rx_ctrl = 4’b1000 表示 4 字节的数据中[31:24] 为 COM 码；
基于此，当接收到有K码时就对数据进行对齐处理，也就是将数据打一拍，和新进来的数据进行错位组合，这是FPGA的基础操作，这里不再赘述；

视频数据解包

数据解包是数据组包的逆过程，代码位置如下：

GTH 解包时根据固定的指令恢复视频的场同步信号和视频有效信号；这些信号是作为后面图像缓存的重要信号；
至此，数据进出GTH 部分就已经讲完了，整个过程的框图我在代码中描述了，如下：

图像缓存

经常看我博客的老粉应该都知道，我做图像缓存的套路是FDMA，他的作用是将图像送入DDR中做3帧缓存再读出显示，目的是匹配输入输出的时钟差和提高输出视频质量，关于FDMA，请参考我之前的博客，博客地址：点击直接前往
这里需要注意的是，我的开发板的DDR3并不是直接贴片的DDR3颗粒，而是SODIMM接口的DDR3内存条，这种情况下，MIG的配置方式是不一样的，基于此，我在之前专门写过一篇博客介绍FPGA MIG 如何配置SODIMM接口的DDR3内存条的博客，可以到那里看看，请参考我之前的博客，博客地址：点击直接前往

XDMA及其中断模式的使用

本设计使用Xilinx官方的XDMA方案搭建基于Xilinx系列FPGA的PCIE通信平台，使用XDMA的中断模式与QT上位机通讯，即QT上位机通过软件中断的方式实现与FPGA的数据交互；XDMA将从SFP接收到的视频从DDR3中读取出来，通过PCIE总线发送给电脑主机，电脑主机运行QT上位机软件，QT软件通过通断方式接收PCIE发来的图像数据并实时显示图像；

本设计的关键在于我们编写了一个 XDMA中断模块。该模块用来配合驱动处理中断，xdma_inter.v 提供了AXI-LITE 接口，上位机通过访问 user 空间地址读写 xdma_inter.v 的寄存器。该 模块 在 user_irq_req_i 输入的中断位，寄存中断位号，并且输出给 XDMA IP ，当上位机的驱动响应中断的时候，在中断里面写 xdma_inter.v 的寄存器，清除已经处理的中断。DMA中断模块代码位置如下：

XDMA配置为X8模式，5G线速率，如下：

关于基于XDMA的PCIE应用，请参考我的PCIE通信专栏，专栏地址：点击直接前往

QT上位机及其源码

QT上位机本方案使用 VS2015 + Qt 5.12.10 完成上位机开发软件环境搭建，QT程序调用XDMA官方API采用中断模式实现与FPGA的数据交互，本例程实现的是读写测速，提供QT上位机软件及其源码，路径如下：

QT源码部分截图如下：

5、第1套vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx–Virtex7–xc7vx690tffg1761-3；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：HDMI或者动态彩条，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：开发板1的SFP光口的TX接口；
应用：GTH aurora 8b/10b编解码 PCIE 板对板视频传输；
工程代码架构如下：

综合编译完成后的FPGA资源消耗和功耗预估如下：

6、第2套vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx–Virtex7–xc7vx690tffg1761-3；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：开发板2的SFP光口的RX接口；
输出：PCIE 2.0 X8
应用：GTH aurora 8b/10b编解码 PCIE 板对板视频传输；
工程Block Design如下：

工程代码架构如下：

综合编译完成后的FPGA资源消耗和功耗预估如下：

7、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；
2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件–>另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；

3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：



更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；
2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；
3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

8、上板调试验证

光纤连接

两块板子接法如下：

静态演示

下面以第1组vivado工程的两块板子为例展示输出效果：
当GTH运行5G线速率时输出如下：

8、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：