紫光同创FPGA实现HSSTLP高速接口通信，8b/10b编解码数据回环，提供PDS工程源码和技术支持

1、前言

2019年初我刚出道时，还是Xilinx遥遥领先的时代(现在貌似也是)，那时的国产FPGA还处于黑铁段位，国产FPGA仰望Xilinx情不自禁道：你以为躲在这里就找不到你吗？没用的，你那样拉轰的男人，无论在哪里，都像黑夜里的发光虫那样的鲜明、那样的出众，你那忧郁的眼神，稀嘘的胡渣子，神乎其技的刀法，还有那杯Dry martine，都深深的迷住了我。。。然而才短短4年，如今的国产FPGA属于百家争鸣、百花齐放、八仙过海、神仙打架、方兴未艾、得陇望蜀、友商都是XX的喜极而泣之局面，面对此情此景，不得不吟唱老人家的诗句：魏武挥鞭，东临碣石有遗篇，萧瑟秋风今又是，换了人间。。。
言归正传，目前对于国产FPGA的共识有以下几点：
1：性价比高，与同级别国外大厂芯片相比，价格相差几倍甚至十几倍；
2：自主可控，国产FPGA拥有完整自主知识产权的产业链，从芯片到相关EDA工具
3：响应迅速，FAE技术支持比较到位，及时解决开发过程中遇到的问题，毕竟中文数据手册。。
4：采购方便，产业链自主可控，采购便捷

没玩过高速接口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。。。本文使用紫光同创的PG2L100H-6FBG676 FPGA实现HSSTLP高速接口通信实现，提供紫光同创FPGA的HSSTLP IP核文件，将HSSTLP IP配置为8b/10b编解码协议，单线线速率为1.25G，你也可以配置为更高速率进行测试，然后生成默认的Example工程，并对Example工程做小幅修改，即可完成数据回环测试，下载bit后，通过调试窗口查看收发数据的波形进行验证，这个工程是做HSSTLP高速接口通信的基础，只有把数据回环玩儿起来了，才能做更高端的其他诸如视频图像、AD/DA等数据的传输；

本设计提供1套Pango Design Suite 2021.4版本的工程源码；提供HSSTLP IP核文件；

本博客详细描述了紫光同创FPGA实现HSSTLP高速接口通信的设计方案，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、设计思路框架

本文使用紫光同创的PG2L100H-6FBG676 FPGA实现HSSTLP高速接口通信实现，提供紫光同创FPGA的HSSTLP IP核文件，将PCIE IP配置为8b/10b编解码协议，单线线速率为1.25G，你也可以配置为更高速率进行测试，然后生成默认的Example工程，并对Example工程做小幅修改，即可完成数据回环测试，下载bit后，通过调试窗口查看收发数据的波形进行验证，这个工程是做HSSTLP高速接口通信的基础，只有把数据回环玩儿起来了，才能做更高端的其他诸如视频图像、AD/DA等数据的传输；工程设计框图如下：

HSSTLP详解

HSSTLP基本了解

Pango 的 Logos2 系列 FPGA 集成了串行高速收发器 HSSTLP，可以实现高速串行数据通信。其性能基本可以对标Xilinx的GTP，稳定性暂且未知，毕竟没有大规模应用过；HSSTLP收发器支持不同的串行传输接口或协议，支持 PCI Express GEN1， PCI Express，GEN2,XAUI,千兆以太网,CPRI,SRIO 等协议，每通道的收发速度高达 6.6 Gb/s；
每个 HSSTLP 由两个 PLL 和四个收发 LANE 组成，其中每个 LANE 又包括四个组件： PCS Transmitter，PMA Transmitter， PCS Receiver， PMA Receiver。 PCS Transmitter 和 PMA Transmitter组成发送通路，PCS Receiver 和 PMA Receiver 组成接收通路。 HSSTLP 的结构示意图：

HSSTLP之时钟

HSSTLP 每 个 模 块 有 两 个 差 分 参 考 时 钟 输 入 管 脚 (HSSTREFCLK0P/N_QRX 和HSSTREFCLK1P/N_QRX）作为 HSSTLP 模块的参考时钟源，用户可以自行选择。在我的核心板上，有 2路 125Mhz 的 HSSTLP 的参考时钟连接到 Q3 与 Q6HSSTLP 时钟输入管脚上，作为 HSSTLP 的参考时钟。进入到 PLL0 和 PLL1 中后产生 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。

HSSTLP 中的四个收发 LANE 共享 PLL0 和 PLL1，每个发送或者接收 LANE 都可以独立选择 PLL0或者 PLL1， PLL 工作频率范围为 1.6GHz~6.6GHz。 PLL0 和 PLL1 都各自对应有一对外部差分参考时钟输入，每个 PLL 还可以选择来自另一个 PLL 的参考时钟或者来自 Fabric 的时钟作为参考时钟输入（ Fabric 逻辑时钟做参考时钟，仅用于内部测试）； PLL 输出频率支持动态再分频，以适应0.6Gbps到6.6Gbps 的 Data Rate 范围。

HSSTLP之PCS

PCS Transmitter 和 Receiver 结构框图如下：

每个 PCS Transmitter 主要包含以下模块：
Tx Bridge Reg 模块： 用于从 Fabric 到 PCS Transmitter 的数据桥接；
Tx Bridge unit 模块： 用于 PCS Transmitter 内部时钟域和 Fabric 时钟域相位补偿；
8b10b Encoder 模块：完成符合 IEEE 802.3 1000BASE-X specification 的 8b10b 编码；
Tx gear 模块： 完成 64b66b/64b67b 数据适配功能；
Tx Bit Slip 模块: 主要功能是根据配置对发送数据实现按位 Slip；
PRBS Generator 模块: 产生 PRBS 测试序列；
Tx Drive Reg 模块: 用于从 PCS Transmitter 到 PMA Transmitter 数据桥接；
每个 PCS Receiver 主要包含以下功能模块：
Rx Sample Reg 模块： 用于从 PMA Receiver 到 PCS Receiver 的数据桥接；
PRBS Checker 模块：用于 PRBS 序列的校验；
Word Alignment 模块：支持灵活的 Word Alignment 功能；
8b10b Decoder 模块：完成符合 IEEE 802.3 1000BASE-X Specification 的 8b10b 解码；
Rx gear 模块： 完成 64b66b/64b67b 数据适配功能；
Channel Bonding 模块：用于通道对齐；
CTC 模块：用于补偿发送时钟和接收时钟的微小频差；
Rx Bridge unit 模块：用于 PCS Receiver 内部时钟域和 Fabric 时钟域相位补偿；
Rx Bridge Reg 模块：用于从 PCS Receiver 到 Fabric 的数据桥接。

HSSTLP之PMA

PMA Transmitter 功能示意图如下：

每个 PMA Transmitter 主要包含以下功能模块：
Tx Digital 模 块 ： 完 成 PCS Transmitter 到 PMA Transmitter 的 数 据 桥 接 ， 以 及 PMA PRBSGenerator；
Serializer 模块： 完成并行数据到串行数据的转换功能；
Transmit Emphasis 模块： 支持可调节的去加重功能；
Transmit Driver 模块： 支持可调节的发送驱动；
PCI Express Receiver Detect 模块：支持基于 PCI Express 的 Receiver Detection 功能；
PMA Receiver 功能示意图如下：

每个 PMA Receiver 主要包含以下功能模块：
Receive Front-end 模块：支持多种接收 Termination 模式；
LEQ 模块：支持 Linear Equalizer 功能；
CDR 模块：数据和时钟恢复功能；
LOS Detect 模块：用于检测接收信号是否有效功能；
Deserializer 模块： 完成串行数据到８ bits, 10bits, 16bits 以及 20bits 并行数据的转换功能；
Rx Digital 模块： 完成 PMA Receiver 到 PCS Receiver 的数据桥接，以及 PMA PRBS Checker；

HSSTLP之接口说明

接口信号是 FPGA 的用户数据与 HSSTLP 的接口连接信号，该接口信号的名称和说明如下表所示：

硬件设计

在我的开发板上，有 2 路光纤接口 SFP1~SFP2, 分别连接到 FPGA 芯片的 HSSTLP 的通道上。FPGA和光纤连接的设计示意图如下图所示：

其中 SFP1 光模块接口连接到 Q3 HSSTLP 的 Channel3 上，SFP2 跟 Q3 HSSTLP 的的 Channel2 相连。光模块和 FPGA 之间用 0.1uf 的电容隔开，使用 AC Couple 的模式。光模块的 LOSS 信号和 TX_Disable 信号连接到 FPGA 的普通 IO 上，LOSS 信号用来检测光模块的光接收是否丢失，如果没有插入光纤或者 Link 上，LOSS 信号为高，否则为低。TX_Disable 信号用来使能或者不使能光模块的光发射，如果 TX_Disable 信号为高，光发射关闭，否则光发送使能，正常使用的时候需要拉低此信号。硬件原理图如下：

HSSTLP IP调用和配置

我们提供HSSTLP IP核文件，新建一个PDA工程，然后按照如下步骤添加HSSTLP IP核添加并配置：







配置完成后，点击“Generate”产生 PCIe 的example工程，如下：


这是官方IP自动生成的Example工程
为了适合我的开发板硬件电路设计，将这个工程拷贝出来，单独做一个8b/10b数据回环工程，主要对 hsst_core_dut_top.v 的复位进行修改，进行统一复位，并增加调试接口测试，修改管脚分配，其它不变，然后程序编译综合产生位流文件。单独的工程如下：

4、PDS工程详解

注意！！
注意！！
注意！！
该工程需要拷贝到Linux中去；
开发板FPGA型号：紫光同创–PG2L100H-6FBG676；
开发环境：Pango Design Suite 2021.4
输入输出：SFP光口；
工程作用：紫光同创FPGA实现HSSTLP高速接口通信
工程代码架构如下：

工程的资源消耗如下：

工程已经综合编译完成，如下：

5、上板调试验证并演示

测试之前我们把 SFP 的光模块分别插入到光模块的接口上，再用光纤把光模块 SFP1 和 SFP2对连起来。因为这里我们用的光模块及光纤是 TX 和 RX 是分开的，这样 SFP1 光模块 RX 需要跟SFP2 光模块的 TX 相连，SFP1 光模块的 TX 需要连接到 SFP2 光模块的 RX。连接后如下图所示：

下载程序到开发板中进行在线调试，可看到窗口中发送和接收的数据一致的，如下：

6、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：