一文詳解Xilinx GTX/GTH及2D eye scan的基本原理

本文介紹Xilinx GT的一些概念，對(duì)GT沒(méi)有概念但是有時(shí)間的童鞋推薦先看一下此文（Xilinx 7系列FPGA 高速收發(fā)器GTX/GTH的一些基本概念），補(bǔ)充一些基礎(chǔ)概念。

隨著高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠占?，Serdes已經(jīng)成為FPGA上重要的I/O接口。而線速率也不斷的提高。更高的線速率也就帶來(lái)了更大的通道衰減影響。通常，Serdes接收端需要打開(kāi)內(nèi)部的均衡來(lái)對(duì)高速串行信號(hào)進(jìn)行處理，保證內(nèi)部的有效信號(hào)能夠等到放大而噪聲可以被抑制，并最終恢復(fù)出正確的數(shù)據(jù)。

通常，高速信號(hào)到達(dá)接收端的Pin位置，稱(chēng)為遠(yuǎn)端；進(jìn)入Pin后，被接收端的均衡處理之后的信號(hào)，稱(chēng)為近端。在一些均衡能力比較優(yōu)秀的Serdes上（例如Xilinx的GTX/GTH），遠(yuǎn)端處的眼圖（可以通過(guò)高速示波器進(jìn)行測(cè)量）無(wú)法睜開(kāi)，但是近端處的眼圖可以完全睜開(kāi)。這就是均衡器無(wú)法忽視的重要作用。

這也帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題，就是如何測(cè)量眼圖。針對(duì)遠(yuǎn)端眼圖，可以通過(guò)高速示波器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。但是這個(gè)測(cè)量在很多情況下并不容易，比如沒(méi)有足夠高速的示波器，或者由于FPGA多為BGA封裝導(dǎo)致Serdes的RX Pin沒(méi)有合適的測(cè)試點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。而近端眼圖，由于近端的定義就是在Serdes的PMA內(nèi)部，所以沒(méi)有使用高速示波器直接測(cè)量眼圖的可能。那么如何評(píng)價(jià)近端眼圖，就成了一個(gè)問(wèn)題。

Xilinx 7系列（及以后）的GTX/GTH中提供了2D眼圖測(cè)量的功能，通常稱(chēng)呼為2D eye scan，可以用來(lái)測(cè)量近端眼圖。Xilinx提供的GT測(cè)試工具ibert中，就是利用這個(gè)功能進(jìn)行眼圖的測(cè)量。

圖片來(lái)自UG908

關(guān)于GT的基本結(jié)構(gòu)和eye scan的具體原理，由于文檔已經(jīng)做了充分的描述，這里就不重復(fù)贅述了。下文將會(huì)用簡(jiǎn)單通俗的語(yǔ)言來(lái)描述2D eye scan的基本原理，出發(fā)點(diǎn)是易于理解。所以在準(zhǔn)確性和嚴(yán)謹(jǐn)程度上肯定有所欠缺，這里先說(shuō)一聲抱歉。

從字面分析，2D eye scan的意思就是二維眼圖掃描。二維的意思自然是橫縱兩個(gè)坐標(biāo)。所以眼圖掃描的基本原理就是將二維眼圖的最大范圍坐標(biāo)化，將眼圖整體變?yōu)橐粋€(gè)二維矩陣區(qū)域。

眼圖掃描的過(guò)程就是依次遍歷眼圖的二位矩陣區(qū)域，并和眼圖掃描的正中間區(qū)域做對(duì)比，記錄錯(cuò)誤值，然后依據(jù)錯(cuò)誤值，用不同的顏色來(lái)繪制當(dāng)前二位矩陣中某個(gè)點(diǎn)，最終組成一個(gè)眼圖。

用更通俗的話來(lái)解釋?zhuān)褪茄蹐D被劃分為一個(gè)分辨率是N*M的圖片。測(cè)量眼圖的時(shí)候會(huì)依次遍歷N*M個(gè)點(diǎn)，并和中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)做對(duì)比。多次對(duì)比后記錄值不一樣的次數(shù)，即誤碼率。當(dāng)遍歷完N*M個(gè)點(diǎn)之后，依據(jù)每個(gè)點(diǎn)記錄的誤碼率來(lái)用不同的顏色繪制一副圖，即為眼圖。

圖片來(lái)自UG476

從上圖的左邊可以看到，每一個(gè)點(diǎn)相對(duì)中心點(diǎn)都有一個(gè)水平偏移量和垂直偏移量，這就等價(jià)于每個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值（至于0，0點(diǎn)在左下角還是在中心點(diǎn)都只是簡(jiǎn)單的坐標(biāo)變換而已）。

從圖中的右邊可以看到，最終眼圖的顏色是依據(jù)誤碼率繪制的，結(jié)合前文來(lái)自UG908的截圖，可以清楚的看到當(dāng)誤碼率越低，顏色越偏向藍(lán)色（深藍(lán)色）；當(dāng)誤碼率越高，顏色越偏向紅色。理論上，越接近中心的點(diǎn)，誤碼率越低，所以越偏藍(lán)色，而越接近外圍的點(diǎn)，誤碼率越高，所以越偏紅色。所以實(shí)際獲取的眼圖樣子，是中心藍(lán)色，四周紅色的眼圖。

所以從原理上說(shuō)，2D眼圖的測(cè)量步驟其實(shí)是遍歷整個(gè)N*M的點(diǎn)陣，計(jì)算每一個(gè)點(diǎn)與中心點(diǎn)數(shù)據(jù)值的誤碼率。當(dāng)?shù)玫近c(diǎn)陣誤碼率的數(shù)據(jù)之后，后面僅僅是繪圖以便美觀顯示的事情。

具體的測(cè)量細(xì)節(jié)可以參考UG476的第四章。這里直接給出結(jié)論，內(nèi)置的2D eye scan是逐個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量的，所以每次測(cè)量只需一組坐標(biāo)值。從微觀看來(lái)，逐點(diǎn)測(cè)量由于是串行的，所以是比較慢的。但是從宏觀來(lái)看，整體測(cè)量速度是比較快速的。

另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是，眼圖的測(cè)量不需要特殊的配置和數(shù)據(jù)，也不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)鏈路帶來(lái)任何負(fù)面影響。由于是和中心點(diǎn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，所以無(wú)論GT跑的是什么數(shù)據(jù)流，都可以進(jìn)行測(cè)量，也沒(méi)有影響。這就擴(kuò)展了這一功能的使用范圍。例如ibert的誤碼率只能統(tǒng)計(jì)PRBS，無(wú)法用于實(shí)際數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)/測(cè)試。而這一功能可以實(shí)時(shí)測(cè)試，不影響GT正常業(yè)務(wù)的運(yùn)行。將這一功能集成到最終版本中，可以作為實(shí)時(shí)監(jiān)控高速鏈路質(zhì)量的一個(gè)參考標(biāo)準(zhǔn)。

如果GT無(wú)法正確回復(fù)出數(shù)據(jù)，則中心點(diǎn)的數(shù)據(jù)不會(huì)穩(wěn)定。這樣統(tǒng)計(jì)出來(lái)的結(jié)果也不會(huì)穩(wěn)定的顯示為一個(gè)眼睛的圖案，而是一個(gè)奇怪的圖案。如果GT能正確恢復(fù)出數(shù)據(jù)，那么中心點(diǎn)一定是穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，所以無(wú)論眼圖是否睜開(kāi)，張開(kāi)多大，大體的形狀還是一個(gè)眼睛的圖案。進(jìn)而，眼圖張開(kāi)的大小就代表信號(hào)質(zhì)量的好壞。所以2D eye scan的結(jié)果對(duì)鏈路信號(hào)質(zhì)量的判斷，是非常有幫助的。

由于是逐點(diǎn)測(cè)試，所以這個(gè)過(guò)程相對(duì)來(lái)說(shuō)更適合基于CPU/MCU的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。Xilinx提供了兩個(gè)XAPP來(lái)實(shí)現(xiàn)該功能，其核心的控制都是交給MCU軟核MicroBlaze來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp743-e...
https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp1198-...

下面介紹一下具體的操作步驟。

首先，eye scan的具體操作是需要使用DRP的端口，這一端口也是容易和CPU接口適配的。

使用DRP端口的優(yōu)點(diǎn)是，主要步驟不占用FPGA可編程邏輯資源。代價(jià)是這個(gè)結(jié)構(gòu)更適合MCU接口的實(shí)現(xiàn)，如果使用普通邏輯資源實(shí)現(xiàn)，會(huì)需要設(shè)計(jì)接口。

1.部分默認(rèn)端口可以直接連接到地，例如：
EYESCANMODE
EYESCANTRIGGER

EYESCANRESET端口如果不需要使用，也是可以連接到地。

2.下面幾個(gè)信號(hào)設(shè)置為1
ES_SCAN_EN
PMA_RSV2[5]
ES_ERRDET_EN
ES_QUAL_MASK=(80’b1)

3.根據(jù)位寬（RX_INT_DATAWIDTH）設(shè)置ES_SDATA_MASK
40-bit 位寬: ES_SDATA_MASK = (40'b1, 40'b0)
32-bit位寬: ES_SDATA_MASK = (40'b1, 32'b0, 8'b1)
20-bit位寬: ES_SDATA_MASK = (40'b1, 20'b0, 20'b1)
16-bit位寬: ES_SDATA_MASK = (40'b1, 16'b0, 24'b1)

4.根據(jù)誤碼率設(shè)置ES_PRESCALE，關(guān)于這個(gè)參數(shù)的值，可以暫時(shí)跳過(guò)，等看完下文，理解原理之后再選擇合適的值寫(xiě)入。

上述設(shè)置只需要設(shè)置一次即可。其中要注意，ES_QUAL_MASK和ES_SDATA_MASK都是80bit數(shù)據(jù)，需要分多次才能寫(xiě)入。7系列的GTX/GTH，DRP數(shù)據(jù)位寬為16bit，所以需要5次才能完成80bit的寫(xiě)入。

開(kāi)始遍歷每一個(gè)點(diǎn)（即每一對(duì)橫縱坐標(biāo)）。橫軸由ES_HORZ_OFFSET控制，縱軸由ES_VERT_OFFSET控制。

1.對(duì)每個(gè)點(diǎn)，將縱坐標(biāo)寫(xiě)入ES_VERT_OFFSET

這里需要注意，ES_VERT_OFFSET和ES_PRESCALE的地址是一樣的，高5bit是給ES_PRESCALE使用，低9位給ES_VERT_OFFSET使用。對(duì)于ES_VERT_OFFSET，0-7bit作為地址使用。第8位作為一個(gè)控制位，先填入0。DFE條件下后續(xù)還需要用到。

2.將橫坐標(biāo)寫(xiě)入ES_HORZ_OFFSET

3.將ES_CONTROL的低兩位設(shè)置為2'b01

這里需要先讀取出來(lái)，然后將低位設(shè)置位01，高位不變，再寫(xiě)入ES_CONTROL寄存器中。

4.循環(huán)查詢es_control_status寄存器的值，如果發(fā)現(xiàn)最低位是1，表明采樣/記錯(cuò)計(jì)數(shù)器溢出了，該點(diǎn)統(tǒng)計(jì)完畢（關(guān)于兩個(gè)計(jì)數(shù)器的含義，下文在做討論）。此時(shí)可以將ES_CONTROL的最低兩位設(shè)置為2'd00，以便于下一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量。

5.讀取ES_ERROR_COUNT和ES_SAMPLE_COUNT寄存器的值，分別為記錯(cuò)寄存器和采樣寄存器。

6.計(jì)算一下誤碼率

誤碼率的計(jì)算公式為，誤碼數(shù)目 / 采樣數(shù)目。

誤碼數(shù)目即為ES_ERROR_COUNT的值，如果該值為0，則誤碼率直接為0。

采樣數(shù)目的計(jì)算則相對(duì)負(fù)責(zé)。具體公式為:

SAMPLE/_COUNT=ES/_SAMPLE/_COUNT/times2^{(ES/_PRESCALE+1)}/times RX/_INT/_DATAWIDTH

可以看到，具體的采樣數(shù)和ES_SAMPLE_COUNT的值是有一個(gè)非線性的計(jì)算關(guān)系。

通過(guò)上述公式可以計(jì)算出采樣數(shù)的值，然后參與運(yùn)算即可獲取誤碼率這一數(shù)據(jù)。

7.當(dāng)使用DFE的時(shí)候，需要將ES_VERT_OFFSET的第八位設(shè)置為1（前文描述設(shè)置為0），然后重新測(cè)試一邊，計(jì)算出另一個(gè)誤碼率，和設(shè)置為0的誤碼率取一次平均才為最終的誤碼率。

這樣就完成一個(gè)點(diǎn)的測(cè)試了。

所以測(cè)試的大體流程就是先設(shè)置好一些固定的參數(shù)，然后設(shè)置橫縱坐標(biāo)，開(kāi)始測(cè)試。等測(cè)試結(jié)束后獲取采樣數(shù)和錯(cuò)誤數(shù)兩個(gè)值，計(jì)算誤碼率即可。DFE模式下需要將縱坐標(biāo)的一位取反后重新測(cè)算一下，然后兩個(gè)誤碼率取平均。

這里就能看出來(lái)測(cè)試的具體細(xì)節(jié)。內(nèi)部測(cè)試提供了兩個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)用于統(tǒng)計(jì)采樣次數(shù)，另一個(gè)用于統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤次數(shù)。測(cè)試過(guò)程其實(shí)就是進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)對(duì)比。對(duì)比一次，采樣次數(shù)加1，如果數(shù)據(jù)不對(duì)，則錯(cuò)誤次數(shù)也加1。等到兩個(gè)計(jì)數(shù)器有一個(gè)溢出的時(shí)候就可以結(jié)束統(tǒng)計(jì)了。這樣會(huì)有兩種情況。
1.錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器溢出，采樣計(jì)數(shù)器沒(méi)有溢出，此時(shí)錯(cuò)誤值比較大，可以保證精度。
2.采樣計(jì)數(shù)器溢出，錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器沒(méi)有溢出，此時(shí)采樣值比較大，誤碼率往往比較低。
由于兩個(gè)技術(shù)器溢出值相差非常大，所以不可能同時(shí)溢出。如果都沒(méi)有溢出，那么測(cè)試就不會(huì)停止。
用這種方法，可以獲取一個(gè)比較好的測(cè)試精度結(jié)果，也便于測(cè)試流程的控制。
另外，理解了這一流程，并觀察采樣值的計(jì)算公式，就能反推出ES_PRESCALE比較合適的值。
通過(guò)逐點(diǎn)的測(cè)量，就可以獲取完整的眼圖數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行繪圖即可。

2D eye scan的原理就分析完了。

下面分析一下實(shí)際操作中的一些問(wèn)題。

1.ES_PRESCALE：如果確定這個(gè)值

這個(gè)參數(shù)實(shí)際控制的是采樣數(shù)的計(jì)算結(jié)果。通常情況下，通過(guò)公式反推，選區(qū)一個(gè)固定值就好。但是實(shí)際情況下，如果使用動(dòng)態(tài)的控制，可以提高精度。關(guān)于這部分的討論就非常深入了。有興趣的童鞋可以再熟悉2D eye scan之后進(jìn)行研究。

2.采樣點(diǎn)的數(shù)量：一定要逐點(diǎn)嗎

從手冊(cè)中可以查詢到ES_HORZ_OFFSET和ES_VERT_OFFSET的范圍。實(shí)際操作中，其實(shí)并不需要逐點(diǎn)測(cè)試。從圖片的角度觸發(fā)，逐點(diǎn)（或者點(diǎn)間隔較?。┑暮锰幘褪菆D片的分辨率較高。同時(shí)弊端就是花費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)。通常使用中并不需要非常高的眼圖分辨率，尤其是并不需要將眼圖美觀的繪制出來(lái)的條件下，適當(dāng)加大間隔可以快速獲取眼圖的基本信息。依據(jù)基本信息再考慮是否提高精度，改變參數(shù)等操作，更為合適。ibert中也提供了調(diào)整采樣點(diǎn)間隔的選項(xiàng)。

3.關(guān)于ibert眼圖顯示的美觀性和眼圖的顯示

根據(jù)上述分析，眼圖最終結(jié)果其實(shí)是一個(gè)顆粒感比較強(qiáng)的圖片。ibert中較為平滑/美觀的眼圖其實(shí)是美化過(guò)的結(jié)果。右鍵點(diǎn)擊眼圖彈出的菜單中可以選擇沒(méi)有沒(méi)畫(huà)過(guò)的點(diǎn)陣圖。

ibert繪制的平滑眼圖

ibert的原始點(diǎn)陣眼圖，每個(gè)點(diǎn)為細(xì)長(zhǎng)的橫條形狀

以上兩張圖為同一次測(cè)量后調(diào)整ibert顯示參數(shù)獲取的不同效果，可以看到ibert默認(rèn)顯示是經(jīng)過(guò)了美化的。而原始圖就是一個(gè)顆粒感很強(qiáng)的點(diǎn)陣圖。

下圖為自行設(shè)計(jì)/實(shí)現(xiàn)2D eye scan后自行繪制的眼圖。

自行實(shí)現(xiàn)2D eye scan測(cè)量后繪制的眼圖

原始數(shù)據(jù)已經(jīng)有了的情況下，眼圖的繪制其實(shí)只是一個(gè)繪圖的軟件設(shè)計(jì)。考慮到大部分FPGA開(kāi)發(fā)者可能并不擅長(zhǎng)于圖形界面的開(kāi)發(fā)，所以推薦了解一下tk繪圖。不過(guò)更好的方案是讓專(zhuān)業(yè)的人做專(zhuān)業(yè)的事情。通過(guò)基本的數(shù)據(jù)，即使沒(méi)有繪圖，也能做很多事情了。

4.DRP如何控制

官方推薦的方案是利用MCU來(lái)進(jìn)行控制，比如MicroBlaze的軟核。

另外可以通過(guò)JTAG，由PC發(fā)起控制。原廠方案為AXI JTAG。

本人是通過(guò)TCL和JTAG來(lái)控制VIO接口，進(jìn)而控制DRP端口的。關(guān)于這個(gè)方案，除了控制DRP端口，還可以控制BRAM。具體可以參考專(zhuān)欄文章：Vivado功能完善：如何用Tcl/VIO更新BRAM中的數(shù)據(jù)

5.寄存器的地址

上文的描述中最大的問(wèn)題就是沒(méi)有介紹寄存器和相關(guān)的地址。關(guān)于各個(gè)寄存器的名稱(chēng)再文章已經(jīng)給出了。具體的地址可以參考UG476的附錄D（通常都是最后一個(gè)附錄）。
ES_QUAL_MASK 0x031~0x035
ES_SDATA_MASK 0x036~0x03A
PMA_RSV2 0x082
ES_ERRDET_EN 0x03D
ES_EYE_SCAN_EN 0x03D
ES_CONTROL 0x03D
ES_PRESCALE 0x03B
ES_VERT_OFFSET 0x03B
ES_HORZ_OFFSET 0x03C
es_control_status 0x151
ES_ERROR_COUNT 0x14F
ES_SAMPLE_COUNT 0X150

這里給出7系列GT的部分寄存器地址。

整套方案可以移植到UltraScale/UltraScale+的GT上，需要注意的是，寄存器地址需要重新核對(duì)一下?？梢源_定很多寄存器的地址/定義都不一樣。

編輯：hfy