FPGA高端项目：图像采集+UltraScale GTH + PCIE，aurora 8b/10b编解码+PCIE视频传输，提供工程源码和QT上位机源码和技术支持

FPGA高端项目：图像采集+UltraScale GTH + PCIE，aurora 8b/10b编解码+PCIE视频传输，提供工程源码和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。。。UltraScale GTH 适用于Xilinx UltraScale系列的FPGA上，包括Virtex UltraScale、Kintex UltraScale、Zynq® UltraScale等器件，在UltraScale系列之下只有GTH，而UltraScale GTH相比于GTH，线速率更高，支持协议类型更多，功耗更低，带宽更高。。。

本文使用Xilinx的Kirtex7-UltraScale-xcku060-ffva1156-2-i FPGA 的UltraScale GTH+PCIE，aurora 8b/10b编解码，PCIE视频传输实验，视频源有两种，分别对应开发者手里的开发板有没有HDMI输入接口的情况，一种是使用笔记本电脑模拟HDMI视频，ADV7611芯片将输入的HDMI视频解码为GRB后供FPGA使用；如果你的开发板有没有HDMI输入接口，或者你的开发板HDMI输入解码芯片不是ADV7611，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；FPGA采集到谁视频后，首先会送入数据组包模块对视频进行打包，并加上以字符BC为基础的控制帧头和帧尾以及其他标志符；然后调用Xilinx官方的UltraScale GTH IP核，并配置为8b/10b编解码模式，线速率配置为5G；然后通过板载的SFP光口将8b/10b编码后的视频发送出去；板载的SFP光口再接收8b/10b编码后的视频；UltraScale GTH再做8b/10b解码处理；然后将数据送入数据对齐模块进行对齐处理；然后将数据送入数据解包模块去掉帧头帧尾并恢复视频时序；然后用我常用的FDMA图像缓存架构，将图像写入DDR4中做三帧缓存；再调用Xilinx官方的XDMA，从DDR4中将视频读出，通过PCIE总线发送给PC端；PC端运行QT上位机，以中断方式接收FPGA发来的图像并显示出来；

提供1套vivado2022.2版本的FPGA工程源码，提供一套Windows版本的QT上位机源码，提供经过修改后适用于中断模式的XDMA驱动及其源码；

本博客详细描述了Xilinx的Kirtex7-UltraScale-xcku060-ffva1156-2-i FPGA 的UltraScale GTH资源做板对板视频传输实验的设计方案，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、相关方案推荐

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

我已有的PCIE方案

我的主页有PCIE通信专栏，该专栏基于XDMA的轮询模式实现与QT上位机的数据交互，既有基于RIFFA实现的PCIE方案，也有基于XDMA实现的PCIE方案；既有简单的数据交互、测速，也有应用级别的图像采集传输，以下是专栏地址：
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此外，我的主页有中断模式的PCIE通信专栏，该专栏基于XDMA的中断模式实现与QT上位机的数据交互，以下是专栏地址：点击直接前往

3、详细设计方案

本文使用Xilinx的Kirtex7-UltraScale-xcku060-ffva1156-2-i FPGA 的UltraScale GTH+PCIE，aurora 8b/10b编解码，PCIE视频传输实验，视频源有两种，分别对应开发者手里的开发板有没有HDMI输入接口的情况，一种是使用笔记本电脑模拟HDMI视频，ADV7611芯片将输入的HDMI视频解码为GRB后供FPGA使用；如果你的开发板有没有HDMI输入接口，或者你的开发板HDMI输入解码芯片不是ADV7611，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；FPGA采集到谁视频后，首先会送入数据组包模块对视频进行打包，并加上以字符BC为基础的控制帧头和帧尾以及其他标志符；然后调用Xilinx官方的UltraScale GTH IP核，并配置为8b/10b编解码模式，线速率配置为5G；然后通过板载的SFP光口将8b/10b编码后的视频发送出去；板载的SFP光口再接收8b/10b编码后的视频；UltraScale GTH再做8b/10b解码处理；然后将数据送入数据对齐模块进行对齐处理；然后将数据送入数据解包模块去掉帧头帧尾并恢复视频时序；然后用我常用的FDMA图像缓存架构，将图像写入DDR4中做三帧缓存；再调用Xilinx官方的XDMA，从DDR4中将视频读出，通过PCIE总线发送给PC端；PC端运行QT上位机，以中断方式接收FPGA发来的图像并显示出来；

设计框图

工程详细设计方案框图如下：

框图解释：箭头表示数据流向，箭头内文字表示数据格式，箭头外数字表示数据流向的步骤；

视频源选择

视频源有两种，分别对应开发者手里的开发板有没有HDMI输入接口的情况，一种是使用笔记本电脑模拟HDMI视频，ADV7611芯片将输入的HDMI视频解码为GRB后供FPGA使用；如果你的开发板有没有HDMI输入接口，或者你的开发板HDMI输入解码芯片不是ADV7611，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；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HDMI输入；
当(不注释) define COLOR_TEST时，输入源视频是动态彩条；

ADV7611解码芯片配置及采集

使用ADV7611解码输入的HDMI视频，适应板载ADV7611解码芯片的FPGA开发板；ADV7611解码芯片需要i2c配置才能使用，ADV7611解码芯片配置及采集这两部分均用verilog代码模块实现，代码中配置为1920x1080分辨率；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；

UltraScale GTH 全网最细解读

关于UltraScale GTH介绍最详细的肯定是Xilinx官方的《ug576-ultrascale-gth-transceivers》，我们以此来解读：
《ug576-ultrascale-gth-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Kirtex7-UltraScale-xcku060-ffva1156-2-i；UltraScale GTH的收发速度为 500 Mb/s 到 16.375 Gb/s 之间，比GTH高出3G；UltraScale 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；
工程调用UltraScale GTH做aurora 8b/10b协议的数据编解码，代码位置如下：

UltraScale GTH基本配置如下：板载差分晶振125M，线速率配置为5G，协议类型被指为aurora 8b/10b；

UltraScale 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UltraScale GTH 收发器在Kintex7 UltraScale FPGA 芯片中的示意图：《ug576-ultrascale-gth-transceivers》第19页；

在 Ultrascale/Ultrascale+架构系列的 FPGA 中，GTH 高速收发器通常使用 Quad 来划分，一个 Quad 由四个GTHE3/4_CHANNEL 原语和一个 GTHE3/4_COMMON 原语组成。每个GTHE3/4_COMMON 中包含两个 LC-tank pll(QPLL0 和 QPLL1)。只有在应用程序中使用 QPLL 时，才需要实例化 GTHE3/4_COMMON。每个 GTHE3/4_CHANNEL 由一个 channel PLL（CPLL）、一个 transmitter,和一个 receiver 组成。一个参考时钟可以直接连接到一个 GTHE3/4_CHANNEL 原语，而不需要实例化 GTHE3/4_COMMON；

Ultrascale GTH 收发器的发送端和接收端功能是相互独立，都是由 Physical Media Attachment（物理媒介适配层 PMA）和Physical Coding Sublayer（物理编码子层 PCS）组成。PMA 内部集成了串并转换(PISO)、预加重、接收均衡、时钟发生器和时钟恢复等；PCS 内部集成了 8b/10b 编解码、弹性缓冲区、通道绑定和时钟修正等，每个 GTHE3/4_CHANNEL源语的逻辑电路如下图所示：《ug576-ultrascale-gth-transceivers》第20页；

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；

参考时钟的选择和分配

UltraScale 器件中的 GTH 收发器提供了不同的参考时钟输入选项。参考时钟选择架构支持 QPLL0、QLPLL1 和CPLL。从架构上讲，每个 Quad 包含四个 GTHE3/4_CHANNEL 原语，一个 GTHE3/4_COMMON 原语，两个专用的外部参考时钟引脚对，以及专用的参考时钟路由。如果使用到了高性能 QPLL，则必须实例化 GTHE3/4_COMMON，如下面 GTHE3/4_COMMON 时钟多路复用器结构的详细视图所示，(《ug576-ultrascale-gth-transceivers》第33页)在一个 Quad 中有 6 个参考时钟引脚对，两个本地参考时钟引脚对：GTREFCLK0或GTREFCLK1，两个参考时钟引脚对来自上面的两个Quads：GTSOUTHREFCLK0或 GTSOUTHREFCLK1，两个参考时钟引脚对来自下面的两个 Quads： GTNORTHREFCLK0 或GTNORTHREFCLK1。

UltraScale 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。

UltraScale GTH 发送接口

《ug576-ultrascale-gth-transceivers》的第104到179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UltraScale 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，UltraScale GTH例化模块的这部分接口如下：该文件名为gth_aurora_example_wrapper.v，例化IP后由官方自动生成；


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：
该文件名为gth_aurora_example_top.v；例化了官方的gth_aurora_example_wrapper.v；

UltraScale GTH 接收接口

《ug576-ultrascale-gth-transceivers》的第181到314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UltraScale 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，UltraScale GTH例化模块的这部分接口如下：该文件名为gth_aurora_example_wrapper.v，例化IP后由官方自动生成；


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：
该文件名为gth_aurora_example_top.v；例化了官方的gth_aurora_example_wrapper.v；

UltraScale GTH IP核调用和使用

UltraScale GTH基本配置如下：板载差分晶振125M，线速率配置为5G，协议类型被指为aurora 8b/10b；

具体配置参考vivado工程，在IP配置好后，需要打开example工程，并将里面的文件复制出来作为自己的工程中使用，不过在我的工程中已经做好了这一步；打开example工程方法如下：

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：

UltraScale 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GTX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：
文件名为helai_GT_8b10b_video.v；

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，FDMA需要配合控制器才能使用，本设计用到的控制器相比于之前的控制器做了代码修改，且没有封装为IP，这样做的目的是方便修改参数，详情请参考代码；位置如下：

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，8G线速率，即PCIE3.0，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：

4、vivado工程详解

开发板FPGA型号：Xilinx–Kirtex7-UltraScale-xcku060-ffva1156-2-i
开发环境：Vivado2022.2；
输入：HDMI或者动态彩条，分辨率1920x1080@60Hz；
输出：8B/10B回环用的是SFP光口的光纤；FPGA板卡与PC端用的是PCIE3.0总线；
应用：FPGA高端项目：图像采集+UltraScale GTH + PCIE，aurora 8b/10b编解码，PCIE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：

5、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；

6、上板调试验证

准备工作

FPGA开发板；
笔记本电脑，你的板子没有HDMI输入接口可以选择动态彩条；
SFP光口模块及光纤；
支持PCIE3.0的台式电脑；
连接光纤，板子上电，下载bit；
板子光纤接法如下：

静态演示

HDMI输入：当UltraScale GTH 运行5线速率时输出如下：

动态彩条输入：当UltraScale GTH 运行5G线速率时输出如下：

动态演示

录制了一个动态彩条输出的小视频，输出动态演示如下：

V7-GTH-COLOR

7、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：