FPGA Xilinx 7系列高速收发器GTX通信

Xilinx 7系列高速收发器GTX

说明：
FPGA:
TX端_zynq(7z035)
RX端_zynq(7z100)。
两个FPGA通过SFP(光纤)接口相连进行GTX的通信。

环境：Vivado2018.2。

IP核：7 Series FPGAs Transceivers Wizard(3.6)

SFP模块：

硬件连接示意图：

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1.IP核配置前熟悉原理图

TX端

(1).GTX端口：

从原理图中标号①中看出发送端SFP1接口连接在FPGA的BANK111，发送端我们只需要MGTXTXP1与MGTXTXN1两个差分信号端(TX)。

(2).GTX时钟：

  如原理图中标号②SFP接口在BANK111中使用了差分时钟MGTREFCLK1(MGTREFCLK1P、MGTREFCLK1N)。所谓差分时钟，看图，实测的。

gtx时钟为156.25M。

RX端

(1).GTX端口：

接收端SFP1接口连接在FPGA的BANK110，接收端差分信号为MGT_110_RX0_P、MGT_110_RX0_N。

(2).GTX时钟：
接收端的采用的MGT_110_CLK1(MGT_110_CLK1_P、MGT_110_CLK1_N)差分时钟，为156.25M。

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2.GTX收发器解析

TX端

TX发送端框图：

框图解析：
发送端由PMA（Physical Media Attachment，物理媒介适配层）PCS（PhysicalCoding Sublayer，物理编码子层）组成
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电路。
PCS 子层包含8B/10B编解码、缓冲区、通道绑定和时钟修正电路。
PISO 并转串
SIPO串转并
FPGA内部并行数据通过FPGATX Interface进入TX发送端，然后经过PCS和PMA子层的各个功能电路处理之后，最终从TX驱动器中以高速串行数据输出

TX发送端时钟：

框图解析：
Phase Adjust FIFO：即TX BUFF。
PMA和PCS在不同的时钟域PMA(XCLK)、PCS(TXUSRCLK)，中间的Phase Adjust FIFO(FIFO具有隔离时钟的功能)连接着不同的时钟域XCLK和TXUSRCLK，为了数据发送的稳定，XCLK和TXUSRCLK必须是速率匹配，相位差可以消除的，TX Buffer主要用于匹配两时钟域的速率和消除两时钟域之间的相位差。Phase Adjust FIFO也可以被旁路，TX发送端提供了一个相位对齐电路，可以解决XCLK和TXUSRCLK时钟域之间的相位差，但是TX_XCLK_SEL需设置为“TXUSR”来保持XCLK时钟域和TXUSRCLK保持同频。
TXUSRCLK2： 是进入GTX端的所有信号的主要同步时钟，进入GTX收发器TX端的大多数信号都经过在TXUSRCLK2上升沿的采样。 TXUSRCLK和TXUSRCLK2基于TX_DATA_WIDTH 和TX_INT_DATAWIDTH的设置有固定的速率。如下图描述：

TXUSRCLK与TXUSRCLK2对应关系：

RX端

RX接收端框图：

框图解析：
每个GTX收发器都包括一个独立的接收器，该接收器由一个PCS(物理编码子层 )和PMA(物理媒介附加子层)。
PCS (物理编码子层 )：负责串化/解串化
PMA (物理媒介附加子层)：负责数据流的编码解码
高速串行数据从板上的走线到GTX的PMA中，进入PCS，最后进入FPGA逻辑。
PISO并转串
SIPO串转并
RX CDR 图中三角形处，因为GTX传输不带随路时钟，因此在接收端必须自己做 时钟恢复和数据恢复。
LPM、DFE 为RX接收端的均衡器
LPM功耗较低，DFE能提供更精确的滤波参数，从而可以更好的补偿传输信道损失，因此性能更好。
Polarity ：极性控制，解决PCB上TX/RX反转的问题。

RX接收时钟：

FPGA RX接口包括两个并行时钟：RXUSRCLK and RXUSRCLK2
RXUSRCLK 是GTX发送器中PCS（负责串化/解串化）逻辑的内部时钟。
RXUSRCLK 所需的速率取决于内部数据路径宽度
RXUSRCLK = 线速/内部数据路径宽度

RXUSRCLK2是所有同步信号进入RX端信号的主要同步时钟。
进入GTX收发器RX端的大多数信号是在RXUSRCLK2的上升沿采样。
RXUSRCLK2和RXUSRCLK 有一个基于RX_DATA_WIDTH和RX_INT_DATAWIDTH的固定速率关系，线速大于6.6Gb/s通过RX_INT_DATAWIDTH设置为1 ，需要使用4字节内部数据路径。

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3. IP核配置

熟悉FPGA原理图后进行IP核的配置。点击IP Catalog。

搜索并选择7 Series FPGAs Transceivers Wizard。

TX端IP配置

page1:
GT Type选择gtx，勾选example。

page2:
线速率为: 3.125Gbps。
参考时钟：选择REFCLK1 Q2 大小为156.25MHz(原理图中GTX采用了时钟MGTREFCLK1，大小为156.25MHz)。

page3:
数据宽度:16bit。
编码方式:8B/10B.
内部数据宽度:自动设置为10bit。
DRP时钟为50M(连接到系统时钟)。

系统时钟：

page4:

page5:
没采用协议，保持默认。
page6:
保持默认。
page7:
配置总结，在这里线速率为3.125Gbps，内部数据宽度为20bit，所以RXUSRCLK2=3125/20=156.25MHz。

RX端IP配置

page1:
GT Type选择gtx，勾选example。

page2:
线速率为: 3.125Gbps。
参考时钟：选择REFCLK1 Q1 大小为156.25MHz(原理图中GTX采用了时钟MGT_110_CLK1，大小为156.25MHz)。

page3:
数据宽度:16bit。
编码方式:8B/10B.
内部数据宽度:自动设置为10bit。
DRP时钟为100M(连接到系统时钟)。

系统时钟：

page4:
K码选择K28.5。

page5:
默认。
page6:
默认。
page7:
配置总结，在这里线速率为3.125Gbps，内部数据宽度为20bit，所以RXUSRCLK2=3125/20=156.25MHz。

4.生成IP Example 工程并做相应修改

在配置好GTX的IP核后，打开IP核的example工程，做一定的修改并加入ILA核进行调试。

TX端

配置IP核后，点击Open IP Example Design生成IP核的Example工程。

打开Example工程，包含以下模块。

●注：
1.GT_FRAME_GEN为数据获取模块，在此模块中将本地文件gt_rom_init_tx.dat中的数据读取FPGA内部进行数据的传输。数据如下：

在GT_FRAME_GEN模块中可以看出读入的数据长度为512。


2.数据中BC为K码：K28.5，当K码出现时charisk信号为1(具体的16bit数据和charisk怎么从如下数据中提取出来的详细看GT_FRAME_GEN中代码)。如下：

Example工程中需要修改的地方

1.gtx_tx_exdes中gt0_data_valid_in拉高。

括号内替换为1’b1。

2.DRP时钟
默认DRP时钟为差分时钟。
因为我们要连接到系统时钟为单端时钟，所以进行以下修改(如果板子上有多余的差分时钟也可以之间连接)。
将DRP时钟的输入改为单端。

在COMMON PORTS处屏蔽差分转单端原语(IBUFDS)。并将BUFG的输入改为我们的单端时钟DRP_CLK_IN(约束时只需要约束单端时钟)。

RX端

配置IP核后，点击Open IP Example Design生成IP核的Example代码。

接收端example工程更改：
1.在以下模块中gt0_data_valid_in拉高。

括号内替换为1’b1。

2.DRP时钟
因为接收端FPGA的系统时钟为差分时钟，所以源代码不用修改。

5.约束

不具体写了
注意以下几点：
1.在Implementation中选择Floorplanning


可以看到我们约束好的GTX引脚，并且可以看到GTX位置为X0Y9，正好符合我们当时选择的通道。

时钟也一样可以看到

如果约束出问题了可以在这里查看一下。
2.多时钟域约束
设计中出现存在多个时钟，并且时钟域之间无数据交换，则需要给这些时钟之间设置假路径约束。
sys_clk(DRP时钟)
TXOUTCLK(GTX时钟)

set_false_path -from [get_clocks sys_clk] -to [get_clocks gtx_tx/gtx_tx_support_i/gtx_tx_init_i/inst/gtx_tx_i/gt0_gtx_tx_i/gtxe2_i/TXOUTCLK]

如果不约束会出现时序违例。
WNS 代表最差负时序裕量 (Worst Negative Slack)
TNS 代表总的负时序裕量 (Total Negative Slack)，也就是负时序裕量路径之和。
WHS 代表最差保持时序裕量 (Worst Hold Slack)
THS 代表总的保持时序裕量 (Total Hold Slack)，也就是负保持时序裕量路径之和。
这些值告诉设计者设计与时序要求相差多少。如果为正值，则说明能达到时序要求，若为负值，则说明时序达不到要求。

6.调试结果

加ila核，还记不记得：
TXUSRCLK2：是进入GTX端的所有信号的主要同步时钟，进入GTX收发器TX端的大多数信号都经过在TXUSRCLK2上升沿的采样。
RXUSRCLK2是所有同步信号进入RX端信号的主要同步时钟。
进入GTX收发器RX端的大多数信号是在RXUSRCLK2的上升沿采样。

不记得在看一遍图(红框)：

TX端

ila_0 ila_tx (
	.clk(gt0_txusrclk2_out), // input wire clk
	
	.probe0(gt0_txdata_in), // input wire [15:0]  probe0  
	.probe1(gt0_txcharisk_in) // input wire [1:0]  probe1
);

RX端

ila_0 ila_rx (
	.clk(gt0_rxusrclk2_out), // input wire clk

	.probe0(gt0_rxdata_out), // input wire [15:0]  probe0  
	.probe1(gt0_rxcharisk_out) // input wire [1:0]  probe1
);

★★★如有错误欢迎指导！！！