【转】Xilinx 7系列FPGA 高速收发器GTX/GTH的一些基本概念

关于 XILINX FPGA中GTX的相关测试和理解，相关文章：Xilinx 7系列FPGA 高速收发器GTX/GTH的一些基本概念

 

        本来写了一篇关于高速收发器的初步调试方案的介绍，给出一些遇到问题时初步的调试建议。但是发现其中涉及到很多概念。逐一解释会导致文章过于冗长。所以单独写一篇基本概念的介绍，基于Xilinx 7系列的GTX。

        需要说明，文本只是初步介绍基本概念，会尽量使用通俗浅显的描述而避免使用专业词汇，也只会描述一些基本的、常用的内容，不能保证全面型。所以从专业角度看，可能部分用词和原厂文档有出入，同时覆盖面不够，请见谅。

GTP、GTX、GTH和GTZ：

        这四个是Xilinx 7系列FPGA全系所支持的GT，GT的意思是Gigabyte Transceiver，G比特收发器。通常称呼为Serdes、高速收发器，GT，或者用具体型号（例如GTX）来称呼。

        7系列中，按支持的最高线速率排序，GTP是最低的，GTZ是最高的。GTP被用于A7系列，GTZ被用于少数V7系列。从K7到V7，最常见的是GTX和GTH。GTH的最高线速率比GTX稍微高一点点。

        GTX和GTH的文档都是UG476。从这里就能看出来，这两个GT的基本结构大同小异。所以掌握一个，另一个基本也就熟悉了。

UG476文档链接：http://link.zhihu.com/?target=https%3A//www.xilinx.com/support/documenta...

        TX和RX：

        严格说TX应该是Transmitter，表示发送部分。GTX的TX部分结构图如下：

        RX的全称是Receiver，结构图如下：

        后面的内容会用到这两张图，可以翻看一下。

        PMA，PCS：

        从TX和RX的结构图可以看到一个共同点：结构图主体分为两个部分，左边一个小框图，右边一个大框图。

        左边小框图的部分就是PMA，右边大框图的部分是PCS。

        为了便于理解，PMA的功能可以简单描述为：

                1.串并转换（图中的SIPO和PISO）;

                2.模拟部分；

        由此可以反推出来，PCS中的功能，都是并行的数字电路处理。

        理论上说GTX的最小必要单元就是PMA，其主要原因就是核心的模拟部分。而PCS理论上可以全部由FPGA普通逻辑来实现。当然作为硬核提供的PCS功能更多、性能更好、使用更方便。

        Elastic Buffer：

        一般称为弹性buffer，基本结构是一个FIFO，常用于处理buffer两边的跨时钟问题。不过其实有更多的用途，比如Clock Correction或者Channel Bonding。

        另外还有一种不用Elastic Buffer的模式，一般称为buffer bypass模式，算是一种高级应用。有兴趣的童鞋可以参考文档研究一下。

        8b10b：

        通常说8b10b是一个编码方式。在这里还指GTX PCS中的一个模块。

        作为编码，8b10b有平衡电平，防止连续1/0的功能。编码分为正负码和特殊K码。最常用的K码应该是k28.5。8b10b最大的优势在于自带错误检测。当出现8b10b错误的时候，大概率是链路质量有问题。8b10b最大的劣势是效率比较低，有20%的额外开销，所以常用于低于8G的场景，最常见的、使用8b10b、同时又高于8G线速率的似乎是CPRI Rate7，线速率9.8G左右。

        作为GTX的一个模块，发送端提供了方便使用的编码接口，接收端提供了方便使用的输出指示，直接使用即可。

        另外，GTX还提供了Gearbox。除了8b10b之外，还有其他很多编码方式，比如64b66b，Gearbox就是为这一类编码做准备的。

        PRBS：

        PRBS是伪随机序列码，GTX自带了PRBS的生成器（在TX内部）和PRBS接收/检查模块（在RX内部）。ibert中的误码率检查就是基于内置的PRBS模块。

        从结构图可以看到，PRBS和8b10b没有项目连接的直接关系，所以ibert的测试中没有使用8b10b编码（也没有使用其他编码）。同时内部的PRBS也不支持使用其他编码。所以如果想在GTX外部使用PRBS信号源，可以另外单独做PRBS的生成器和校验模块。Xilinx似乎是有相关参考设计的。

        ibert：

        ibert是Xilinx提供的一个用于GT辅助调试的IP。

        首先明确一下，这是一个IP。所以ibert有两种用法：

                1.直接使用example design进行独立使用；

                2.集成到某个工程中进行使用；

        ibert最常用的两个用途是：

                1.基于PRBS模块的误码率检查；

                2.基于眼图扫描模块的测量近端眼图；

        另外，ibert中可以方便的设置GTX的所有参数。是个不错的参数测试平台。

        通常可以尝试几个参数的调整来查看对GTX的误码率/眼图是否有帮助，这几个参数是TX部分的预加重。而接收端的设置是均衡模式，由于均衡的原理较为复杂，而且多为自动调整，所以不会有简单的几个参数就能看出变化。

        GTX的分布：

        7系列FPGA通常按照bank来分，对于GTX的bank，一般称为一个Quad，原因是一个bank中有4个独立的GTX通道。每个通道称呼为Channel。所以在GTX的代码中可以看到Channel这个底层原语。

        每个Quad拥有两个参考时钟Pin，也可以从上下两个Quad中获取参考时钟（如果上下有GTX Quad的话）。

        QPLL和CPLL：

        已经知道四个GTX为一组，称呼为Quad，每个GTX称呼为Channel，就很容易理解QPLL和CPLL了。QPLL是一个Quad共用的PLL，GTX一个Quad只有一个QPLL。CPLL是每个Channel独有的PLL。

        从底层角度看，由于CPLL是每个Channel独有的，所以CPLL的所有接口都在Channel这个底层模块中。而QPLL是另外使用了一个叫common的底层模块。

        GTX中QPLL和CPLL，除了数目（一个Quad一个QPLL四个CPLL）和归属(QPLL属于common，CPLL属于Channel)不同之外，最大的不同在于支持的最高线速率频率不同。CPLL最高只有6.xG，而QPLL可以超过10G（具体数值要根据器件的速度等级来查询DataSheet）。

        即使QPLL工作在很高的线速率下，Channel也可以工作在较低的线速率下。具体的实现方案就是1.使用Channel自带的CPLL而不用QPLL；2.Channel可以将QPLL的速率按2的倍数进行降低；这样同一个参考时钟下，一个Quad的不同GTX有机会跑在不同的线速率下。当然这一需求需要更多的操作，IP本身无法实现。

        Clock Correction：

        这个功能必须使用Elastic Buffer。原理是指定一个关键字段（类似于k28.5的二进制数），发送端定期发送这个关键字段，接收端收到这个关键字段时，会检查这个字段在FIFO中的位置，并通过插入 无效数据/删除数据 的方法来调整，使这个字段尽可能保持在FIFO的中心部分，防止FIFO溢出。这个功能的作用是来解决不同时钟会导致FIFO溢出的问题。

        Channel Bonding：

        这个功能必须使用Elastic Buffer。原理是指定一个关键字段（类似于k28.5的数字）。当多个GTX都收到这一字段时，会按照配置进行相互校准，来保证并行数据同步输出。这个功能的作用是在多个GTX之间进行同步化处理。

GTX IP及Example Design

        GTX的IP是7 Series FPGAs Transceivers Wizard。是一个非常有用的工具。关于具体的配置，需要依据具体应用来设置。这里主要说两点：

        1.Protocol

        在IP配置界面的第二个标签页下有一个Protocol的选项，通常默认是Start from scratch，代表没有任何预设值。当熟悉GTX并熟悉应用的需求后，可以用这个设置进行逐项调整。其他选择都多少加入了一些预设值。在不熟悉GTX或者应用需求时，可以先使用预设配置进行学习/测试。

        2.Shared Logic

        单独的GTX通常是无法直接工作的，而最主要的原因就是GTX的复位流程。GTX有严格的复位流程。如果自行设计，费时费力。万幸，Xilinx提供了参考设计——Shared Logic。

        通常使用Example Design来作为最终系统集成的GTX IP。这样做的原因就是包含了需要的复位控制等辅助设计，并且接口变得更加简单易用。默认这部分是包含在Example Design中，而IP可以选择将这部分重新打包，放入IP Core中。这样最终的IP不仅仅有GTX的硬核，也有大量Shared Logic这样用普通可编程逻辑实现的功能模块。

        配置好GTX IP之后，另一个非常有用的功能就是Example Design。Vivado的一个优点就是几乎所有的IP都可以非常便捷的生成独立完整的Example Design（比如需要独立使用ibert的时候）。

        GTX IP是提供源代码的，最底层就是GTX的Channel和common模块。用户可以通过代码来查看相关的参数值和端口连接。

        GTX的DRP端口:

        通常一个内部模块要进行重配置，使用的是两种做法：端口控制和配置参数控制。端口控制就是提供一个控制端口作为开关。比如BRAM端口中的EN和WE，提供高低电平就可以进行功能的改变（EN控制是否使用，WE控制读写）。

        配置参数控制，就是有一个配置参数表，每一个参数拥有一个唯一地址和对应的数据内容。通过改写对应地址的数据内容来进行功能的改变。

        GTX同时使用了这两种方式。所以GTX Channel和Common不仅有大量的端口（当然大部分端口都是功能端口而不是仅仅作为配置功能)，还拥有一张地址表（参考UG476的附录）。通过DRP端口可以读写地址表中的相关地址，达到获取数据/改变配置的功能。

        一个常见的应用就是线速率切换。这时候就需要利用DRP端口来调整部分参数的值，然后复位GTX，来使GTX工作在不同的线速率下。另一个用到DRP的应用就是眼图扫描。希望扫描出GTX的眼图，除了使用ibert，还可以在设计中加入眼图扫描模块来进行实时扫描，这时候就需要使用DRP端口。使用DRP端口的时候，有一个地方需要注意，就是DRP端口的时序。UG476似乎没有提供接口时序。这部分请参考XADC的文档手册——UG480。

        环回：

                                                左边为接收端，右边为发送端

        GTX提供了四种环回模式，结合上图可以看到，环回路径分别是1、2、3、4。

        1，2是近端环回，用于测试GTX本身。3，4是远端环回，用于辅助测试对端GTX。具体的细节请参考UG476。这里需要说明的是，用的比较多的是2，近端PMA环回；用的最少的大概是1，近端PCS环回，基本没有什么实际作用（可以想想为什么）。远端环回需要修改部分参数才能使用，具体参考文档。

        关于GTX的一些基础概念就介绍完毕，更多细节，还请参考UG476文档。