如何使用VIO去讀取PHY里面對(duì)應(yīng)寄存器測(cè)試RGMII接口

實(shí)驗(yàn)室回來(lái)一批板子，上面有RGMII接口、SGMII接口等各種接口，怎么測(cè)試這些網(wǎng)口是否正常呢？的確需要一些經(jīng)驗(yàn)。比如RGMII接口，最重要的是看在哪里去做的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)偏移。這時(shí)，常常需要使用VIO去讀取PHY里面對(duì)應(yīng)寄存器的值，看是否工作在正常RGMII接口時(shí)序模式。

測(cè)試場(chǎng)景

測(cè)試拓?fù)鋱D如下

試場(chǎng)景連接圖

測(cè)試方法：使用TestCenter向被測(cè)板子上的千兆以太網(wǎng)口打流，在FPGA內(nèi)部通過(guò)自回環(huán)從源端口返回給TestCenter，通過(guò)看TestCenter控制界面上顯示結(jié)果判斷自回環(huán)是否正確。

測(cè)試RGMII接口時(shí)使用的PHY芯片為MARVELL 公司的88e1512PHY芯片，RGMII頂層接口信號(hào)如圖1所示。

圖1 測(cè)試代碼頂層接口信號(hào)

采用以往經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題

按照以往的RGMII接口使用經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)約束將接口的輸出時(shí)鐘延遲了2ns，如圖2所示。使用TestCenter對(duì)以太網(wǎng)口進(jìn)行測(cè)試，以太網(wǎng)口無(wú)法正常發(fā)送數(shù)據(jù)。具體表現(xiàn)為，TestCenter接收的數(shù)據(jù)幀數(shù)目，和發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)目相等，但是接收的bit數(shù)明顯比發(fā)送的bit數(shù)少。抓取測(cè)試代碼的內(nèi)部信號(hào)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)PGA接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀均正常，所以推測(cè)FPGA給PHY芯片的發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)序不正常。

圖2 發(fā)送時(shí)鐘偏移2ns約束代碼

修改代碼，不對(duì)發(fā)送時(shí)鐘進(jìn)行2ns的偏移，如圖3所示。使用TestCenter對(duì)以太網(wǎng)口進(jìn)行測(cè)試，以太網(wǎng)口正常地工作。

圖3 發(fā)送時(shí)鐘不進(jìn)行偏移2ns

問(wèn)題原因定位

推測(cè)在不同的PHY芯片的工作模式下，對(duì)時(shí)鐘的要求不一樣。

之前使用的REALTEK的RTL8211E PHY芯片，需要對(duì)發(fā)送時(shí)鐘進(jìn)行2ns的延遲，查找該 PHY芯片手冊(cè)， PHY芯片對(duì)發(fā)送時(shí)鐘有圖4所示的要求。表格中明確指出，需要自己添加時(shí)鐘和數(shù)據(jù)之間的2ns時(shí)延。

圖4 RTL8211E的發(fā)送時(shí)鐘

查找目前調(diào)試板子上所使用MARVELL的88e1512 PHY芯片的芯片手冊(cè)，發(fā)現(xiàn)RGMII接口有4種不同的時(shí)鐘工作模式。

圖5 88e1512的4種時(shí)鐘工作模式

4種時(shí)鐘工作模式下的信號(hào)時(shí)序圖如圖6、圖7所示，結(jié)合上板現(xiàn)象，推測(cè)當(dāng)前的工作模式為add delay模式，即Register21_2.4=1。

圖6 RGMII發(fā)送時(shí)序

圖7 RGMII接收時(shí)序

圖8 寄存器的時(shí)鐘模式配置

由上面圖6、圖7和圖8可以看出，跟前面RTL8211E PHY芯片不同的是，MARVELL的88e1512 PHY芯片可以配置PHY與FPGA的RGMII接口時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)是否已經(jīng)相對(duì)偏移2ns。也就是說(shuō)，可以通過(guò)讀取PHY芯片相應(yīng)寄存器的方法來(lái)看默認(rèn)的工作模式。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：遇到RGMII接口調(diào)試時(shí)，最關(guān)鍵的是要查看PHY芯片的型號(hào)，查閱PHY芯片手冊(cè)，通過(guò)MDIO讀取PHY芯片寄存器的值，看RGMII接口上數(shù)據(jù)和時(shí)鐘是否偏移2ns，再?zèng)Q定FPGA對(duì)應(yīng)管腳約束是否進(jìn)行偏移！

用VIO方法讀取或配置PHY芯片的寄存器

在沒(méi)有CPU的情況下，對(duì)PHY芯片中寄存器在線讀取的最好辦法使用VIO通過(guò)MDIO接口對(duì)PHY芯片中的寄存器進(jìn)行讀取。具體方法可以查看本公眾號(hào)之前文章：

一種動(dòng)態(tài)調(diào)整RGMII接口時(shí)序的方法

Vivado進(jìn)行FPGA調(diào)試“犯罪現(xiàn)場(chǎng)”，在仿真環(huán)境中重現(xiàn)方法

使用VIVADO中VIO模擬CPU接口進(jìn)行在線寄存器讀寫(xiě)調(diào)試（附源代碼）

干貨：Vivado 直接修改RAM初始化文件，避免重新綜合、實(shí)現(xiàn)的方法

上圖為測(cè)試場(chǎng)景，由FPGA芯片通過(guò)24個(gè)Mdio接口控制24個(gè)88E1512 PHY芯片。

具體的測(cè)試步驟為：通過(guò)VIO配置MDIO管理模塊PHY地址、寄存器地址，然后選擇讀操作讀取某一PHY芯片的寄存器的值，結(jié)合PHY的工作狀態(tài)，判斷該寄存器是否被正確讀取。由于執(zhí)行讀操作時(shí)是采用先寫(xiě)入地址，在讀取數(shù)據(jù)的方式，因此只測(cè)試讀操作就可以完整的測(cè)試MDIO管理模塊的功能。以下是VIO對(duì)應(yīng)的調(diào)用代碼。
//-----------------------------

mdio_module_VSC8658 U_mdio_module (
.mdc(mdc_o),
.mdio(mdio),
.reset(reset),
.mdir (mdir),
.execute(execute), //
.req(req), //讀 tb用
.phy_addr(phy_addr),
.reg_addr(reg_addr),
.data_phy(data_phy),
.data_rd(data_rd),
.op_done(op_done)
);

//-----------------------on board-----------------------------------
vio_0 u_vio (
.clk(clk), // input wire clk
.probe_out0(req), // output wire [0 : 0] probe_out1
.probe_out1(phy_addr), // output wire [4 : 0] probe_out2
.probe_out2(reg_addr), // output wire [4 : 0] probe_out3
.probe_out3(data_phy) // output wire [15 : 0] probe_out4
);
//-----------------

//----------------------mdc generate--------------------------------
//mdc should be 0~12.5MHz, the module is n*2 Divide
mdio_clk #(.Divider(25)) U_mdio_clk(
.reset (reset),
.clk(clk) ,
.clk_o(mdc_o)
);

//-------------------------------------------------------------------

通過(guò)VIO和MDIO讀取相應(yīng)寄存器的值，如圖10所示，讀取到的值為1076，換算成2進(jìn)值為0000_0100_0011_0100，對(duì)應(yīng)的工作模式為圖8所示的Transmit clock internally delayed,即 add delay模式，不需要對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行2ns的偏移。

圖9 寄存器的地址

圖10 讀取的寄存器數(shù)值

圖11 用windows自帶的計(jì)算器看二進(jìn)制

確認(rèn)完之后，Testcenter打流，一切OK。但有時(shí)候，因?yàn)?a target="_blank">PCB設(shè)計(jì)的問(wèn)題，比如RGMII接口的時(shí)鐘未采用專(zhuān)用的時(shí)鐘管腳，或者是對(duì)應(yīng)的4bit數(shù)據(jù)信號(hào)不在FPGA芯片的同一個(gè)BANK，就會(huì)導(dǎo)致RGMII接口無(wú)論如何調(diào)整時(shí)鐘與數(shù)據(jù)之間的相位關(guān)系，該RGMII接口都無(wú)法正常工作。所以，能夠正常工作的前提是硬件的連線關(guān)系及PCB板是OK的。

FPGA使用RGMII接口與PHY芯片連接時(shí)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

事實(shí)上，相對(duì)于Altera的FPGA，Xilinx的FPGA在使用RGMII接口與PHY芯片相連時(shí)會(huì)比較講究。以下歸納幾點(diǎn)與大家分享。

1、rgmii信號(hào)中的接收時(shí)鐘phy_rxclk為單端時(shí)鐘，如果將此時(shí)鐘接到FPGA中多功能時(shí)鐘引腳（MRCC或SRCC）上時(shí)，必須從正端（P）輸入；

每個(gè)PHY芯片的tx和rx信號(hào)接在FPGA的同一個(gè)bank中，其中tx_clk和rx_clk需要接入bank中時(shí)鐘專(zhuān)用管腳的P端，且其N(xiāo)端不能夠接其它信號(hào)；

2、rgmii中接收信號(hào)（rxd、rxclk、rxctl）必須在FPGA中同一個(gè)bank或者相鄰bank上，如果是在相鄰bank上，rxclk必須接到MRCC中；

每個(gè)PHY芯片有4個(gè)rxd、4個(gè)txd、2個(gè)ctl信號(hào)，每個(gè)PHY共10個(gè)，4個(gè)PHY共40個(gè)信號(hào)；接收發(fā)送每個(gè)PHY各有兩個(gè)時(shí)鐘，總共1個(gè)PHY占用12個(gè)引腳。理論上1個(gè)bank可以接4個(gè)PHY芯片；

3、注意PHY芯片的供電電壓與FPGA的供電電壓是否相同；

4、每個(gè)PHY芯片采用單獨(dú)的晶振產(chǎn)生參考時(shí)鐘；（本公眾號(hào)之前文章SDN先驅(qū)Nick教授以及netFPGA無(wú)法完美實(shí)現(xiàn)6802時(shí)間同步一文中就曾指出netFPGA就疑似存在此問(wèn)題，由于抖動(dòng)過(guò)大，多個(gè)端口無(wú)法實(shí)現(xiàn)6802同步）；‘’

RGMII接口與GMII接口

在MAC核與PHY芯片的通信過(guò)程中，存在多種接口形式，如MII、GMII、RGMII、XGMII等，千兆以太網(wǎng)端口中以GMII（GigabitMedia Independent Interface）和RGMII（ReducedMedia Independent Interface）最為常見(jiàn)。GMII能夠支持10Mbps、100Mbps、1000Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，其關(guān)鍵接口信號(hào)如圖4.1所示。

相比與GMII，RGMII接口的信號(hào)線大幅減少至12根，移除了其中不必要的TXER、RXER、COL、CRS，并將數(shù)據(jù)線寬度由8位縮減至4位，但同樣能夠支持10Mbps、100Mbps和1000Mbps傳輸，其接口信號(hào)如下圖4.2所示。

RGMII接口中的雙沿?cái)?shù)據(jù)信號(hào)適于傳輸，但并不適于數(shù)據(jù)處理，因此在MAC核內(nèi)處理PHY側(cè)數(shù)據(jù)時(shí)首先需要將雙沿?cái)?shù)據(jù)變換為單沿?cái)?shù)據(jù)。在Crossbar交換機(jī)實(shí)現(xiàn)時(shí)硬件平臺(tái)采用的是RGMII接口，故需要實(shí)現(xiàn)RGMII接口與GMII接口的相互轉(zhuǎn)換，如圖4.3所示。

RGMII雖然相比于GMII縮減了大量信號(hào)線，但仍能實(shí)現(xiàn)1000Mbps數(shù)據(jù)傳輸，原因在于RGMII采用雙沿傳輸技術(shù)，在時(shí)鐘的上、下沿同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，那么在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)就能完成8bits數(shù)據(jù)的傳輸，與GMII的收發(fā)效果相同，如圖4.4所示。而在RGMII中單向只有一個(gè)指示信號(hào)RX_CTL（TX_CTL），在雙沿傳輸時(shí)可將GMII中的RXEN與RXER也分別在RX_CTL的上、下沿進(jìn)行傳輸即可。

在上圖4.4中，RGMII數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿傳輸GMII中的3~0位，在時(shí)鐘的下降沿傳輸GMII中的7~4位，一個(gè)時(shí)鐘完成8bits數(shù)據(jù)的傳輸。RX_CTL信號(hào)持續(xù)拉高，表明當(dāng)前幀正確無(wú)誤。

在上圖4.5中，數(shù)據(jù)傳輸與圖4.4相同，而RX_CTL在時(shí)鐘的下降沿跳變?yōu)?，代表了GMII中的RXER信號(hào)為1，表明傳輸錯(cuò)誤。而在RX_CTL持續(xù)時(shí)間結(jié)束時(shí)，是在時(shí)鐘的上升沿拉低，此時(shí)在一個(gè)完整的時(shí)鐘周期內(nèi)RXEN=0，RXER=0，可知RX_CTL與RXEN、RXER的關(guān)系為：RXEN xorRXER = RX_CTL，xor代表異或運(yùn)算。

為實(shí)現(xiàn)RGMII信號(hào)與GMII信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，本文借助了Xilinx提供的基于FPGA的幾類(lèi)原語(yǔ)，原語(yǔ)指Xilinx針對(duì)其器件特征開(kāi)發(fā)的一系列常用模塊的名字。下面列出所用原語(yǔ)的名稱(chēng)及介紹。

（1）IDDR、ODDR

DDR（Dual Data Rate）即雙倍速率，數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿、下降沿均發(fā)生變化，IDDR用作將一路雙沿時(shí)鐘數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為兩路普通數(shù)據(jù)，ODDR用作將兩路普通數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為一路雙沿時(shí)鐘數(shù)據(jù)，如圖4.6所示。

（2）BUFIO

一種特殊的時(shí)鐘buffer，該buffer獨(dú)立于全局時(shí)鐘之外，適合用作接收源同步數(shù)據(jù)，但需要之處的是，該buffer輸出的時(shí)鐘無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)邏輯資源，適合驅(qū)動(dòng)IDDR等專(zhuān)用組件。

（3）BUFR

一種特殊的時(shí)鐘buffer，獨(dú)立于全局時(shí)鐘外，該buffer輸出的時(shí)鐘用作驅(qū)動(dòng)該區(qū)域內(nèi)的邏輯資源。

（4）IBUFG

一種全局時(shí)鐘buffer，在FPGA的時(shí)鐘輸入處都應(yīng)添加IBUFG進(jìn)行緩沖，使得緩沖后的時(shí)鐘線擁有最小的延遲與抖動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)能力大幅增加。

（5）IODELAY1、IDELAYCTRL

IODELAY1為一種可編程的絕對(duì)延時(shí)組件，可對(duì)某一線路添加一定的延時(shí)，其延時(shí)值由IDEALYCTRL決定。IDELAYCTRL的延時(shí)精度為參考時(shí)鐘的1/64，如提供200MHz的參考時(shí)鐘，延時(shí)精度為5ns/64 = 78ps，二者需配合使用。

在接口轉(zhuǎn)換的硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，分為接收轉(zhuǎn)換與發(fā)送轉(zhuǎn)換，二者存在較大區(qū)別，下面分別給出接收轉(zhuǎn)換與發(fā)送轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

接收轉(zhuǎn)換即為對(duì)RXD、RX_CTL的轉(zhuǎn)換，在千兆模式下RGMII接口接收數(shù)據(jù)時(shí)，隨路時(shí)鐘即RXC為125MHz，且為雙沿傳輸，因此不僅要使用IDDR取出雙沿?cái)?shù)據(jù)，更要對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行額外處理，轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖4.7所示。

在圖4.7中，并未給出RX_CTL的轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換原理與RXD轉(zhuǎn)換類(lèi)似，在IDDR轉(zhuǎn)換后Q1為GMII下的RXDV，Q1 xor Q2為GMII下的RXER。圖中，IBUFG用于將外部輸入的性能較差時(shí)鐘RXC轉(zhuǎn)換為內(nèi)部可用的高效時(shí)鐘RXC_BUFG，BUFIO用于將RXC_BUFG轉(zhuǎn)換為適合采集源同步數(shù)據(jù)的時(shí)鐘RXC_BUFIO，BUFR用于將RXC_BUFG轉(zhuǎn)換為適合區(qū)域內(nèi)邏輯資源使用的時(shí)鐘Rx_clk_to_mac，相比于RXC_BUFG更適合驅(qū)動(dòng)Rxd_to_mac。IBUF與IBUFG功能相似，但I(xiàn)BUFG只適用于時(shí)鐘信號(hào)，IBUF為數(shù)據(jù)線buffer。IODELAY1用作給RXD信號(hào)添加一定的延時(shí)，抵消時(shí)鐘線在經(jīng)過(guò)BUFIO時(shí)與在硬件布線時(shí)引入的延時(shí)，其延時(shí)值需要視硬件特性決定，在本文中使用Zedboard實(shí)現(xiàn)Crossbar交換機(jī)時(shí)延時(shí)值設(shè)置為0。IDDR在圖中只給出一個(gè)，在實(shí)現(xiàn)時(shí)需要用到5個(gè)IDDR分別對(duì)應(yīng)于RXD0~RXD4以及RX_CTL。

發(fā)送轉(zhuǎn)換即為對(duì)TXD、TX_CTL的轉(zhuǎn)換，在RGMII的發(fā)送過(guò)程中，時(shí)鐘信號(hào)由FPGA內(nèi)部給出，因此不需要對(duì)時(shí)鐘線添加額外的buffer，需要指出的是，RGMII的發(fā)送時(shí)鐘與發(fā)送數(shù)據(jù)并非是沿對(duì)齊的，而是如圖4.8所示的中心對(duì)齊，采用這樣的時(shí)序好處在于對(duì)于對(duì)端接收來(lái)說(shuō)，雙沿采樣更加穩(wěn)定。

在實(shí)際的發(fā)送轉(zhuǎn)換中，首先利用125MHz的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)ODDR獲得TXD以及TX_CTL（TX_CTL的轉(zhuǎn)換中D1為GMII中的TXEN，D2為GMII中的TXEN xorTXER），此時(shí)的TXD與TX_CTL與最初的125MHz時(shí)鐘是沿對(duì)齊的。特殊之處在于，TXC同樣由ODDR產(chǎn)生，該ODDR的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘為最初的125MHz時(shí)鐘相移90度后的另一時(shí)鐘tx_clk90，如圖4.9所示。之所以采用ODDR產(chǎn)生TXC是因?yàn)榇藭r(shí)的TXC就與TXD、TX_CTL經(jīng)過(guò)了相同的ODDR延時(shí)，最終TXC與TXD、TX_CTL就是中心對(duì)齊的。

編輯：hfy