本來寫了一篇關(guān)于高速收發(fā)器的初步調(diào)試方案的介紹，給出一些遇到問題時初步的調(diào)試建議。但是發(fā)現(xiàn)其中涉及到很多概念。逐一解釋會導(dǎo)致文章過于冗長。所以單獨(dú)寫一篇基本概念的介紹，基于Xilinx 7系列的GTX。

需要說明，文本只是初步介紹基本概念，會盡量使用通俗淺顯的描述而避免使用專業(yè)詞匯，也只會描述一些基本的、常用的內(nèi)容，不能保證全面型。所以從專業(yè)角度看，可能部分用詞和原廠文檔有出入，同時覆蓋面不夠，請見諒。

GTP、GTX、GTH和GTZ：

這四個是Xilinx 7系列FPGA全系所支持的GT，GT的意思是Gigabyte Transceiver，G比特收發(fā)器。通常稱呼為Serdes、高速收發(fā)器，GT，或者用具體型號（例如GTX）來稱呼。

7系列中，按支持的最高線速率排序，GTP是最低的，GTZ是最高的。GTP被用于A7系列，GTZ被用于少數(shù)V7系列。從K7到V7，最常見的是GTX和GTH。GTH的最高線速率比GTX稍微高一點(diǎn)點(diǎn)。

GTX和GTH的文檔都是UG476。從這里就能看出來，這兩個GT的基本結(jié)構(gòu)大同小異。所以掌握一個，另一個基本也就熟悉了。

UG476文檔鏈接：http://link.zhihu.com/?target=https%3A//www.xilinx.com/support/documenta...

TX和RX：

嚴(yán)格說TX應(yīng)該是Transmitter，表示發(fā)送部分。GTX的TX部分結(jié)構(gòu)圖如下：

圖片來自UG476

RX的全稱是Receiver，結(jié)構(gòu)圖如下

圖片來自UG476

后面的內(nèi)容會用到這兩張圖，可以翻看一下。

PMA，PCS

從TX和RX的結(jié)構(gòu)圖可以看到一個共同點(diǎn)：結(jié)構(gòu)圖主體分為兩個部分，左邊一個小框圖，右邊一個大框圖。

左邊小框圖的部分就是PMA，右邊大框圖的部分是PCS。

為了便于理解，PMA的功能可以簡單描述為：

1.串并轉(zhuǎn)換（圖中的SIPO和PISO）;

2.模擬部分；

由此可以反推出來，PCS中的功能，都是并行的數(shù)字電路處理。

理論上說GTX的最小必要單元就是PMA，其主要原因就是核心的模擬部分。而PCS理論上可以全部由FPGA普通邏輯來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然作為硬核提供的PCS功能更多、性能更好、使用更方便。

Elastic Buffer

一般稱為彈性buffer，基本結(jié)構(gòu)是一個FIFO，常用于處理buffer兩邊的跨時鐘問題。不過其實(shí)有更多的用途，比如Clock Correction或者Channel Bonding。

另外還有一種不用Elastic Buffer的模式，一般稱為buffer bypass模式，算是一種高級應(yīng)用。有興趣的童鞋可以參考文檔研究一下。

8b10b

通常說8b10b是一個編碼方式。在這里還指GTX PCS中的一個模塊。

作為編碼，8b10b有平衡電平，防止連續(xù)1/0的功能。編碼分為正負(fù)碼和特殊K碼。最常用的K碼應(yīng)該是k28.5。8b10b最大的優(yōu)勢在于自帶錯誤檢測。當(dāng)出現(xiàn)8b10b錯誤的時候，大概率是鏈路質(zhì)量有問題。8b10b最大的劣勢是效率比較低，有20%的額外開銷，所以常用于低于8G的場景，最常見的、使用8b10b、同時又高于8G線速率的似乎是CPRI Rate7，線速率9.8G左右。

作為GTX的一個模塊，發(fā)送端提供了方便使用的編碼接口，接收端提供了方便使用的輸出指示，直接使用即可。

另外，GTX還提供了Gearbox。除了8b10b之外，還有其他很多編碼方式，比如64b66b，Gearbox就是為這一類編碼做準(zhǔn)備的。

PRBS

PRBS是偽隨機(jī)序列碼，GTX自帶了PRBS的生成器（在TX內(nèi)部）和PRBS接收/檢查模塊（在RX內(nèi)部）。ibert中的誤碼率檢查就是基于內(nèi)置的PRBS模塊。

從結(jié)構(gòu)圖可以看到，PRBS和8b10b沒有項(xiàng)目連接的直接關(guān)系，所以ibert的測試中沒有使用8b10b編碼（也沒有使用其他編碼）。同時內(nèi)部的PRBS也不支持使用其他編碼。所以如果想在GTX外部使用PRBS信號源，可以另外單獨(dú)做PRBS的生成器和校驗(yàn)?zāi)K。Xilinx似乎是有相關(guān)參考設(shè)計(jì)的。

ibert

ibert是Xilinx提供的一個用于GT輔助調(diào)試的IP。

首先明確一下，這是一個IP。所以ibert有兩種用法：

1.直接使用example design進(jìn)行獨(dú)立使用；

2.集成到某個工程中進(jìn)行使用；

ibert最常用的兩個用途是：

1.基于PRBS模塊的誤碼率檢查；

2.基于眼圖掃描模塊的測量近端眼圖；

另外，ibert中可以方便的設(shè)置GTX的所有參數(shù)。是個不錯的參數(shù)測試平臺。

通?？梢試L試幾個參數(shù)的調(diào)整來查看對GTX的誤碼率/眼圖是否有幫助，這幾個參數(shù)是TX部分的預(yù)加重。而接收端的設(shè)置是均衡模式，由于均衡的原理較為復(fù)雜，而且多為自動調(diào)整，所以不會有簡單的幾個參數(shù)就能看出變化。

GTX的分布

7系列FPGA通常按照bank來分，對于GTX的bank，一般稱為一個Quad，原因是一個bank中有4個獨(dú)立的GTX通道。每個通道稱呼為Channel。所以在GTX的代碼中可以看到Channel這個底層原語。

每個Quad擁有兩個參考時鐘Pin，也可以從上下兩個Quad中獲取參考時鐘（如果上下有GTX Quad的話）。

QPLL和CPLL

已經(jīng)知道四個GTX為一組，稱呼為Quad，每個GTX稱呼為Channel，就很容易理解QPLL和CPLL了。QPLL是一個Quad共用的PLL，GTX一個Quad只有一個QPLL。CPLL是每個Channel獨(dú)有的PLL。

從底層角度看，由于CPLL是每個Channel獨(dú)有的，所以CPLL的所有接口都在Channel這個底層模塊中。而QPLL是另外使用了一個叫common的底層模塊。

GTX中QPLL和CPLL，除了數(shù)目（一個Quad一個QPLL四個CPLL）和歸屬(QPLL屬于common，CPLL屬于Channel)不同之外，最大的不同在于支持的最高線速率頻率不同。CPLL最高只有6.xG，而QPLL可以超過10G（具體數(shù)值要根據(jù)器件的速度等級來查詢DataSheet）。

即使QPLL工作在很高的線速率下，Channel也可以工作在較低的線速率下。具體的實(shí)現(xiàn)方案就是1.使用Channel自帶的CPLL而不用QPLL；2.Channel可以將QPLL的速率按2的倍數(shù)進(jìn)行降低；這樣同一個參考時鐘下，一個Quad的不同GTX有機(jī)會跑在不同的線速率下。當(dāng)然這一需求需要更多的操作，IP本身無法實(shí)現(xiàn)。

Clock Correction

這個功能必須使用Elastic Buffer。

原理是指定一個關(guān)鍵字段（類似于k28.5的二進(jìn)制數(shù)），發(fā)送端定期發(fā)送這個關(guān)鍵字段，接收端收到這個關(guān)鍵字段時，會檢查這個字段在FIFO中的位置，并通過插入 無效數(shù)據(jù)/刪除數(shù)據(jù) 的方法來調(diào)整，使這個字段盡可能保持在FIFO的中心部分，防止FIFO溢出。

這個功能的作用是來解決不同時鐘會導(dǎo)致FIFO溢出的問題。

Channel Bonding

這個功能必須使用Elastic Buffer。

原理是指定一個關(guān)鍵字段（類似于k28.5的數(shù)字）。當(dāng)多個GTX都收到這一字段時，會按照配置進(jìn)行相互校準(zhǔn)，來保證并行數(shù)據(jù)同步輸出。

這個功能的作用是在多個GTX之間進(jìn)行同步化處理。

GTX IP及Example Design

GTX的IP是7 Series FPGAs Transceivers Wizard。是一個 非常有用的工具。

關(guān)于具體的配置，需要依據(jù)具體應(yīng)用來設(shè)置。這里主要說兩點(diǎn)

1.Protocol

圖片來自GT IP GUI

在IP配置界面的第二個標(biāo)簽頁下有一個Protocol的選項(xiàng)，通常默認(rèn)是Start from scratch，代表沒有任何預(yù)設(shè)值。當(dāng)熟悉GTX并熟悉應(yīng)用的需求后，可以用這個設(shè)置進(jìn)行逐項(xiàng)調(diào)整。其他選擇都多少加入了一些預(yù)設(shè)值。在不熟悉GTX或者應(yīng)用需求時，可以先使用預(yù)設(shè)配置進(jìn)行學(xué)習(xí)/測試。

2.Shared Logic

單獨(dú)的GTX通常是無法直接工作的，而最主要的原因就是GTX的復(fù)位流程。GTX有嚴(yán)格的復(fù)位流程。如果自行設(shè)計(jì)，費(fèi)時費(fèi)力。萬幸，Xilinx提供了參考設(shè)計(jì)——Shared Logic。

通常使用Example Design來作為最終系統(tǒng)集成的GTX IP。這樣做的原因就是包含了需要的復(fù)位控制等輔助設(shè)計(jì)，并且接口變得更加簡單易用。默認(rèn)這部分是包含在Example Design中，而IP可以選擇將這部分重新打包，放入IP Core中。這樣最終的IP不僅僅有GTX的硬核，也有大量Shared Logic這樣用普通可編程邏輯實(shí)現(xiàn)的功能模塊。

圖片來自GT IP GUI

配置好GTX IP之后，另一個非常有用的功能就是Example Design。Vivado的一個優(yōu)點(diǎn)就是幾乎所有的IP都可以非常便捷的生成獨(dú)立完整的Example Design（比如需要獨(dú)立使用ibert的時候）。

GTX IP是提供源代碼的，最底層就是GTX的Channel和common模塊。用戶可以通過代碼來查看相關(guān)的參數(shù)值和端口連接。

GTX的DRP端口

通常一個內(nèi)部模塊要進(jìn)行重配置，使用的是兩種做法：端口控制和配置參數(shù)控制。

端口控制就是提供一個控制端口作為開關(guān)。比如BRAM端口中的EN和WE，提供高低電平就可以進(jìn)行功能的改變（EN控制是否使用，WE控制讀寫）。

配置參數(shù)控制，就是有一個配置參數(shù)表，每一個參數(shù)擁有一個唯一地址和對應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容。通過改寫對應(yīng)地址的數(shù)據(jù)內(nèi)容來進(jìn)行功能的改變。

GTX同時使用了這兩種方式。所以GTX Channel和Common不僅有大量的端口（當(dāng)然大部分端口都是功能端口而不是僅僅作為配置功能)，還擁有一張地址表（參考UG476的附錄）。通過DRP端口可以讀寫地址表中的相關(guān)地址，達(dá)到獲取數(shù)據(jù)/改變配置的功能。

一個常見的應(yīng)用就是線速率切換。這時候就需要利用DRP端口來調(diào)整部分參數(shù)的值，然后復(fù)位GTX，來使GTX工作在不同的線速率下。

另一個用到DRP的應(yīng)用就是眼圖掃描。希望掃描出GTX的眼圖，除了使用ibert，還可以在設(shè)計(jì)中加入眼圖掃描模塊來進(jìn)行實(shí)時掃描，這時候就需要使用DRP端口。

使用DRP端口的時候，有一個地方需要注意，就是DRP端口的時序。UG476似乎沒有提供接口時序。這部分請參考XADC的文檔手冊——UG480。

圖片來自UG480

環(huán)回

圖片來自UG476，左邊為接收端，右邊為發(fā)送端

GTX提供了四種環(huán)回模式，結(jié)合上圖可以看到，環(huán)回路徑分別是1、2、3、4。

1，2是近端環(huán)回，用于測試GTX本身。3，4是遠(yuǎn)端環(huán)回，用于輔助測試對端GTX。

具體的細(xì)節(jié)請參考UG476。這里需要說明的是，用的比較多的是2，近端PMA環(huán)回；用的最少的大概是1，近端PCS環(huán)回，基本沒有什么實(shí)際作用（可以想想為什么）。遠(yuǎn)端環(huán)回需要修改部分參數(shù)才能使用，具體參考文檔。

關(guān)于GTX的一些基礎(chǔ)概念就介紹完畢，更多細(xì)節(jié)，還請參考UG476文檔。

編輯：hfy