Xilinx-7Series-FPGA高速收發(fā)器使用學習

每一個收發(fā)器擁有一個獨立的發(fā)送端，發(fā)送端有PMA（Physical Media Attachment，物理媒介適配層）和PCS（PhysicalCoding Sublayer，物理編碼子層）組成，其中PMA子層包含高速串并轉換（Serdes）、預/后加重、接收均衡、時鐘發(fā)生器及時鐘恢復等電路。PCS子層包含8B/10B編解碼、緩沖區(qū)、通道綁定和時鐘修正等電路。對于GTX的發(fā)送端來說，結構如圖1所示。

圖1

FPGA內部并行數(shù)據(jù)通過FPGATX Interface進入TX發(fā)送端，然后經過PCS和PMA子層的各個功能電路處理之后，最終從TX驅動器中以高速串行數(shù)據(jù)輸出，下面將介紹各個功能電路。

FPGA TX Interface用戶接口：TX Interface是用戶數(shù)據(jù)發(fā)往GTX的接口，該接口的信號如表1所示。

表1

發(fā)送數(shù)據(jù)接口是TXDATA，采樣時鐘是TXUSRCLK2，在TXUSRCLK2的上升沿對TXDATA進行采樣。TXUSRCLK2的速率由線速率、TX Interface接口位寬和8B/10B是否使能決定（TXUSRCLK2頻率= 線速率/ TX_DATA_WIDTH ；比如線速率是10Gb/s，TX_DATA_WHDTH等于80，那么TXUSRCLK2的頻率是125MHz）。TXDATA的位寬可以配置成16/20/32/40/64/80位寬，通過TX_DATA_WIDTH 、TX_INT_DATAWIDTH、TX8B10BEN三個屬性設置可以配置成不同的位寬，具體屬性如表2所示。

表2

GTX的TX Interface分成內部數(shù)據(jù)位寬和FPGA接口位寬，其中內部數(shù)據(jù)歸屬于TXUSRCLK時鐘域，F(xiàn)PGA接口數(shù)據(jù)歸屬于TXUSRCLK2時鐘域，而內部數(shù)據(jù)位寬支持2byte/4byte，F(xiàn)PGA接口數(shù)據(jù)位寬支持2byte/4byte/8byte，因此，決定了TXUSRCLK和TXUSRCLK2有一定的時鐘倍數(shù)關系，TXUSRCLK和TXUSRCLK2的時鐘倍數(shù)關系如表3所示，其中TX_INT_DATAWIDTH屬性設置為“0”，表示內部數(shù)據(jù)位寬為2byte，如果設置為“1”，則表示內部數(shù)據(jù)位寬為4byte（線速率大于6.6Gb/s的時候應當置“1”）。

表3

TXUSRLK和TXUSRCLK2時鐘是相關聯(lián)的，在時鐘這兩個時鐘時應該遵循下面兩個準則：

1. TXUSRCLK和TXUSRCLK2必須是上升沿對齊的，偏差越小越好，因此應該使用BUFGs或者BUFRs來驅動這兩個時鐘（因為TX Interface和PCS子層之間沒有相位校正電路或者FIFO，所以需要嚴格對齊，本人自己的理解）。

2. 即使TXUSRCLK、TXUSRCLK2和GTX的參考時鐘運行在不同的時鐘頻率，必須保證三者必須使用同源時鐘。

發(fā)送端的時鐘結構：為了能夠更好的理解GTX的發(fā)送端如何工作，理解發(fā)送端的時鐘結構很有必要，圖2是發(fā)送端的時鐘結構圖。

圖2

其中紅框部分和黃底部分的內容是我們需要重點了解的地方，圖中的MGTREFCLK是上一篇中提到的GTX的參考時鐘，經過一個IBUFDS_GTE2源語之后進入GTX，用以驅動CPLL或者QPLL。對于TX PMA來說，主要實現(xiàn)的功能是并串轉換，其并串轉換的時鐘可以由CPLL提供，也可以由QPLL提供，由TXSYSCLKSEL選擇，TX PMA子層里面有三個紅色方框部分是串行和并行時鐘分頻器，作用是產生并行數(shù)據(jù)的驅動時鐘，其中D分頻器主要用于將PLL的輸出分頻，以支持更低的線速率。

÷2/÷4這個選項由TX_INT_DATAWIDTH決定，如果TX_INT_DATAWIDTH為“0”，則選擇÷2，反之選擇÷4。

對于÷4/÷5，則由TX_DATA_WIDTH決定，如果是位寬是16/32/64，則選擇÷4，如果位寬是20/40/80，則選擇÷5。

對于TXUSRCLK和TXUSRCLK2由誰驅動呢，官方推薦使用TXOUTCLK驅動，這樣做能精簡設計，同時穩(wěn)定，如何使用TXOUTCLK來做TXUSRCLK和TXUSRCLK2的驅動時鐘呢，根據(jù)TXUSRCLK和TXUSRCLK2的頻率關系，以一個Lane為例，圖3表示TXUSRCLK=TXUSRCLK2的驅動方式，圖4表示TXUSRCLK = 2*TXUSRCLK2的驅動方式。

圖4

對于圖4，CLKOUT0的值為CLKOUT1的2倍。

TX 8B/10B Encoder：高速收發(fā)器的發(fā)送端一般都帶有8b/10b編碼器。目的是保證數(shù)據(jù)有足夠的切換提供給時鐘恢復電路，編碼器還提供一種將數(shù)據(jù)對齊到字的方法，同時線路可以保持良好的直流平衡。在GTX應用中，如果發(fā)送的是D碼，則需要將TXCHARISK拉低，如果是K碼，則將相應的TXCHARISK拉高。

TX Buffer：了解發(fā)送的TXBuffer的作用，首先得搞清楚TX發(fā)送端的時鐘域，TX發(fā)送端的時鐘域如圖5所示。

圖5

圖5中紅色方框就是TXBuffer，我們都知道FIFO具有隔離時鐘域的功能，在這里也不例外，我們從圖中可以知道，TX Buffer連接著兩個不同的時鐘域XCLK和TXUSRCLK，在發(fā)送端的PCS子層內部包含兩個時鐘域，XCLK（PMA并行時鐘域）TXUSRCLK時鐘域，為了數(shù)據(jù)發(fā)送的穩(wěn)定，XCLK和TXUSRCLK必須是速率匹配，相位差可以消除的，TX Buffer主要用于匹配兩時鐘域的速率和消除兩時鐘域之間的相位差。

TX Buffer也可以被旁路，TX發(fā)送端提供了一個相位對齊電路，可以解決XCLK和TXUSRCLK時鐘域之間的相位差，但是TX_XCLK_SEL需設置為“TXUSR”來保持XCLK時鐘域和TXUSRCLK保持同頻。

TX Pattern Generator：GTX擁有偽隨機數(shù)列產生電路，偽隨機數(shù)列是之中看似隨機，但是是有規(guī)律的周期性二進制數(shù)列，有良好的隨機性和接近白噪聲的相關函數(shù)，所以偽隨機數(shù)列可以用來做誤碼率測量、時延測量、噪聲發(fā)生器、通信加密和擴頻通信等等領域，在GTX中可以用來測試高速串行通道傳輸?shù)恼`碼率，圖6是GTX的PRBS生成電路。

圖6

可以使能或者旁路這個PRBS生成電路，如果旁路的話TXDATA會傳輸?shù)桨l(fā)送端的PMA。一般使用PRBS模式測試模型如圖7所示。

圖7

TX Polarity Control：TX發(fā)送端支持對TX發(fā)送的數(shù)據(jù)進行極性控制，從PCS子層輸出的編碼數(shù)據(jù)在進入PISO串行化之前進行極性翻轉，這部分功能主要是用來彌補PCB的設計錯誤，如果PCB設計時不慎將TXP和TXN交叉連接的話，可以通過設置TXPOLARITY為“1”來翻轉信號的極性，。