FPGA - Xilinx系列高速收发器---GTX

news2024/10/5 19:12:55

1，GTX是什么？

GT ：Gigabit Transceiver千兆比特收发器；

GTX ：Xilinx 7系列FPGA的高速串行收发器，硬核

xilinx的7系列FPGA根据不同的器件类型，集成了GTP、GTX、GTH、GTZ四种串行高速收发器，可以支持多种协议如PCI Express，SATA，JESD204B等。

四种收发器主要区别是支持的线速率不同，下图可以说明在7系列里面器件类型和支持的收发器类型以及最大的收发器数量：

下图是各个系列的芯片所包含的GT资源，以及它们的相关性能参数。

首先需要明确的一点是，他们都是高速收发器，只是传输速率不同，速率大小为：

GTP < GPX < GTH < GTZ < GTY < GTM

可以看到不同系列收发器个数和传输速度都不一样。

        Artix-7 中的收发器类型为GTP；
        Kintex-7 中的收发器类型为GTX；
        Virtex-7 中的收发器类型为GTX/GTH/GTZ ；
        UltraScale 中的GTH、GTY；
        UltraScale+ 中的GTR、GTH、GTY；

原理图

2，高速收发器的用途

可以把它理解为一个高速串行并行转换器，其串行速率可达几十G。它可以将输入的并行数据转换为串行输出，或者将串行数据转换为并行数据。它既可以作为独立的发送装置或接收装置，也可以同时进行发送和接收。此外，用户可以根据需要自定义协议来实现通信，与其他IP核配合使用，以实现协议通信。例如，用于实现两块板子之间的通信，如Aurora协议，可以与Xilinx提供的Aurora IP核配合使用。GTX主要负责物理层数据的发送和接收，包括串行化和解串行化、编码和解码、时钟恢复等一系列物理层任务。此外，它还支持以下协议(见下图该图是在数据手册截取的)：

3，为什么需要高速收发器

主要是还是速率的问题，特别是在现在对于速率要求越来越高的情况下。在高速串行口之前，当数据速率开始超过1gb /s时，并行I/O方案就会达到物理限制，并且不再能够提供可靠、经济的方式来保持信号同步。

在早期的并行I/O总线中，接口对齐问题阻碍了与外部设备的有效通信。随着更高的速度在数字设计中变得普遍，管理信号延迟成为一个问题。

接口对齐问题是指在并行通信中，由于各个数据位可能在物理线路长度、信号传播速度等方面存在不同，因此它们可能无法在完全相同的时间到达目标设备，导致数据传输过程中发生错误。简单地说，就是各个数据线的信号需要在同一时刻到达目标，对齐就是把这个时刻统一。

之前也有一些解决方案，比如利用系统时钟来同步：两个ic之间的通信，在两个ic上都应用一个公共时钟，用于数据传输和接收。

看起来好像很容易就解决了时间同步的问题，但实际上的系统是这样的

各种延误在速率低的情况下还可以忽略，因为延误相对于有效信号来说非常小。但随着速率的提高，延误的影响越来越大，甚至导致系统上的错误。随之而来的解决方法是，不依靠系统时钟，发送方在发生数据的时候，也发送一个同步的时钟

这样可以消除部分延迟，同时由于两根线是从同一个地方发出，传输距离等也很容易做的一致，所以有些延迟也可以抵消

不过，源同步设计导致时钟域数量的显著增加。这引入了时序约束和分析的复杂性，如现场可编程设备具有有限时钟缓冲的门阵列(FPGA)，以及必须定制设计每个时钟树的专用集成电路(ASIC)。这个问题在大型并行总线上更加严重，因为电路板设计的限制常常迫使每个数据总线使用多个转发时钟。因此，32位总线可能需要4个，甚至8个转发时钟。

还有一种自同步的模式：

数据线带着时钟，相对自同步来说，它不需要那么多的时钟线了，随之而来的时钟复制也不需要。但比特率变动时需要额外的手段来纠正。如果数据包含相当多的连续零或连续一，那么可能出现失同步的情况。此外，在传输中，噪声或者干扰可能会导致误码。

这些问题，GTX的设计都给出了解决方案。

4，GTX IP核配置

基础知识

GT又称之为Gigabit Transceiver 千兆比特收发器，是嵌入在FPAG芯片里面的一种硬核。

一条lane包含一对tx和rx；

一对tx、rx、加上cpll称之为一条通道channel；

一个bank有4对tx和rx、两对差分时钟，也被称之为quad。

①参考时钟不仅可以驱动当前 bank 的上面的通道，还可以驱动相临近的 bank。上面的bank的被称之为北North，下面的bank被称之为南South。

②一对外部参考时钟，最多驱动三组相邻的 bank，（ quad 不超过不超过三个），驱动的通道不超过12个。

IP核配置

（1）创建工程

IP Catalog中搜索GT

（2）第一页配置

（3）第二页配置

（4）第三页配置

（5）第四页配置

（6）第五页配置

（7）第六页配置

（8）第七页总结界面

（9）IP核生成完成

打开官方Example Design

代码框架

（1）gtwizard_0_exdes.v为整体工程的TOP文件

输入输出端口分别为：

Q0_CLK1_GTREFCLK_PAD_N/P_IN：外部差分输入参考时钟

DRP_CLK_IN_P/N：系统时钟

TXP/N_OUT：发送1bit差分输出

RXP/N_IN：接收1bit差分输入

（2）gtwizard_0_support.v

该文件主要例化了GT高速收发器的IP核，并对时钟进行了配置

例如FPGA与GT的接口：32bit的待发送数据gt0_txdata_in：

32bit的接收数据gt0_rxdata_out

（3） gtwizard_0_GT_FRAME_GEN.v

该文件用于产生发送数据的来源，本质上是从ROM中读取数据。

（4）gtwizard_0_GT_FRAME_CHECK.v

该文件用于接收到数据后，与文件中的数据源进行比对，并且记录下错误的数据个数。

（5）gtwizard_0_TB.v

GTX收发的测试文件，在此之前，应该先了解一下LOOPBACK。

从手册中得知收发器有专门的回环模式进行测试，即进行自发自收，如下图所示有四个通道。

测试的时候选择哪种呢？

查看top文件，即gtwizard_0_exdes.v文件，LOOPBACL设置的是0，即Normal 模式，并没有进行回环测试，如下图

观察TB文件，这里是直接在仿真中把发送端和接收端用线连在一起实现回环测试

仿真波形

由于此仿真是自收发，因此我们需要关注的信号只有四个，gtwizard_0_support.v中的：

/gtwizard_0_TB/gtwizard_0_exdes_i/gtwizard_0_support_i/gt0_txdata_in
/gtwizard_0_TB/gtwizard_0_exdes_i/gtwizard_0_support_i/gt0_txcharisk_in
/gtwizard_0_TB/gtwizard_0_exdes_i/gtwizard_0_support_i/gt0_rxdata_out
/gtwizard_0_TB/gtwizard_0_exdes_i/gtwizard_0_support_i/gt0_rxcharisk_out