如何使用VIO去讀取PHY里面對應(yīng)寄存器測試RGMII接口

實驗室回來一批板子，上面有RGMII接口、SGMII接口等各種接口，怎么測試這些網(wǎng)口是否正常呢？的確需要一些經(jīng)驗。比如RGMII接口，最重要的是看在哪里去做的時鐘和數(shù)據(jù)偏移。這時，常常需要使用VIO去讀取PHY里面對應(yīng)寄存器的值，看是否工作在正常RGMII接口時序模式。

測試場景

測試拓撲圖如下

試場景連接圖

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

測試RGMII接口時使用的PHY芯片為MARVELL 公司的88e1512PHY芯片，RGMII頂層接口信號如圖1所示。

圖1 測試代碼頂層接口信號

采用以往經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)問題

按照以往的RGMII接口使用經(jīng)驗，通過約束將接口的輸出時鐘延遲了2ns，如圖2所示。使用TestCenter對以太網(wǎng)口進行測試，以太網(wǎng)口無法正常發(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。抓取測試代碼的內(nèi)部信號發(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FPGA給PHY芯片的發(fā)送數(shù)據(jù)的時序不正常。

圖2 發(fā)送時鐘偏移2ns約束代碼

修改代碼，不對發(fā)送時鐘進行2ns的偏移，如圖3所示。使用TestCenter對以太網(wǎng)口進行測試，以太網(wǎng)口正常地工作。

圖3 發(fā)送時鐘不進行偏移2ns

問題原因定位

推測在不同的PHY芯片的工作模式下，對時鐘的要求不一樣。

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

圖4 RTL8211E的發(fā)送時鐘

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

圖5 88e1512的4種時鐘工作模式

4種時鐘工作模式下的信號時序圖如圖6、圖7所示，結(jié)合上板現(xiàn)象，推測當前的工作模式為add delay模式，即Register21_2.4=1。

圖6 RGMII發(fā)送時序

圖7 RGMII接收時序

圖8 寄存器的時鐘模式配置

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接口時鐘信號和數(shù)據(jù)信號是否已經(jīng)相對偏移2ns。也就是說，可以通過讀取PHY芯片相應(yīng)寄存器的方法來看默認的工作模式。

經(jīng)驗總結(jié)：遇到RGMII接口調(diào)試時，最關(guān)鍵的是要查看PHY芯片的型號，查閱PHY芯片手冊，通過MDIO讀取PHY芯片寄存器的值，看RGMII接口上數(shù)據(jù)和時鐘是否偏移2ns，再決定FPGA對應(yīng)管腳約束是否進行偏移！

用VIO方法讀取或配置PHY芯片的寄存器

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

一種動態(tài)調(diào)整RGMII接口時序的方法

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

使用VIVADO中VIO模擬CPU接口進行在線寄存器讀寫調(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、實現(xiàn)的方法

上圖為測試場景，由FPGA芯片通過24個Mdio接口控制24個88E1512 PHY芯片。

具體的測試步驟為：通過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)行讀操作時是采用先寫入地址，在讀取數(shù)據(jù)的方式，因此只測試讀操作就可以完整的測試MDIO管理模塊的功能。以下是VIO對應(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進值為0000_0100_0011_0100，對應(yīng)的工作模式為圖8所示的Transmit clock internally delayed,即 add delay模式，不需要對時鐘進行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自帶的計算器看二進制

確認完之后，Testcenter打流，一切OK。但有時候，因為PCB設(shè)計的問題，比如RGMII接口的時鐘未采用專用的時鐘管腳，或者是對應(yīng)的4bit數(shù)據(jù)信號不在FPGA芯片的同一個BANK，就會導致RGMII接口無論如何調(diào)整時鐘與數(shù)據(jù)之間的相位關(guān)系，該RGMII接口都無法正常工作。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芯片連接時經(jīng)驗總結(jié)

事實上，相對于Altera的FPGA，Xilinx的FPGA在使用RGMII接口與PHY芯片相連時會比較講究。以下歸納幾點與大家分享。

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

每個PHY芯片的tx和rx信號接在FPGA的同一個bank中，其中tx_clk和rx_clk需要接入bank中時鐘專用管腳的P端，且其N端不能夠接其它信號；

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

每個PHY芯片有4個rxd、4個txd、2個ctl信號，每個PHY共10個，4個PHY共40個信號；接收發(fā)送每個PHY各有兩個時鐘，總共1個PHY占用12個引腳。理論上1個bank可以接4個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PHY芯片采用單獨的晶振產(chǎn)生參考時鐘；（本公眾號之前文章SDN先驅(qū)Nick教授以及netFPGA無法完美實現(xiàn)6802時間同步一文中就曾指出netFPGA就疑似存在此問題，由于抖動過大，多個端口無法實現(xiàn)6802同步）；‘’

RGMII接口與GMII接口

在MAC核與PHY芯片的通信過程中，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。GMII能夠支持10Mbps、100Mbps、1000Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，其關(guān)鍵接口信號如圖4.1所示。

相比與GMII，RGMII接口的信號線大幅減少至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，其接口信號如下圖4.2所示。

RGMII接口中的雙沿數(shù)據(jù)信號適于傳輸，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)時首先需要將雙沿數(shù)據(jù)變換為單沿數(shù)據(jù)。在Crossbar交換機實現(xiàn)時硬件平臺采用的是RGMII接口，故需要實現(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縮減了大量信號線，但仍能實現(xiàn)1000Mbps數(shù)據(jù)傳輸，原因在于RGMII采用雙沿傳輸技術(shù)，在時鐘的上、下沿同時傳輸數(shù)據(jù)，那么在一個時鐘周期內(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中單向只有一個指示信號RX_CTL（TX_CTL），在雙沿傳輸時可將GMII中的RXEN與RXER也分別在RX_CTL的上、下沿進行傳輸即可。

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

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

為實現(xiàn)RGMII信號與GMII信號的相互轉(zhuǎn)換，本文借助了Xilinx提供的基于FPGA的幾類原語，原語指Xilinx針對其器件特征開發(fā)的一系列常用模塊的名字。下面列出所用原語的名稱及介紹。

（1）IDDR、ODDR

DDR（Dual Data Rate）即雙倍速率，數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿、下降沿均發(fā)生變化，IDDR用作將一路雙沿時鐘數(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)換為一路雙沿時鐘數(shù)據(jù)，如圖4.6所示。

（2）BUFIO

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

（3）BUFR

一種特殊的時鐘buffer，獨立于全局時鐘外，該buffer輸出的時鐘用作驅(qū)動該區(qū)域內(nèi)的邏輯資源。

（4）IBUFG

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

（5）IODELAY1、IDELAYCTRL

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

在接口轉(zhuǎn)換的硬件實現(xiàn)過程中，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)換的實現(xiàn)過程。

接收轉(zhuǎn)換即為對RXD、RX_CTL的轉(zhuǎn)換，在千兆模式下RGMII接口接收數(shù)據(jù)時，隨路時鐘即RXC為125MHz，且為雙沿傳輸，因此不僅要使用IDDR取出雙沿數(shù)據(jù)，更要對時鐘進行額外處理，轉(zhuǎn)換過程如圖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鐘RXC轉(zhuǎn)換為內(nèi)部可用的高效時鐘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)邏輯資源使用的時鐘Rx_clk_to_mac，相比于RXC_BUFG更適合驅(qū)動Rxd_to_mac。IBUF與IBUFG功能相似，但IBUFG只適用于時鐘信號，IBUF為數(shù)據(jù)線buffer。IODELAY1用作給RXD信號添加一定的延時，抵消時鐘線在經(jīng)過BUFIO時與在硬件布線時引入的延時，其延時值需要視硬件特性決定，在本文中使用Zedboard實現(xiàn)Crossbar交換機時延時值設(shè)置為0。IDDR在圖中只給出一個，在實現(xiàn)時需要用到5個IDDR分別對應(yīng)于RXD0~RXD4以及RX_CTL。

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

在實際的發(fā)送轉(zhuǎn)換中，首先利用125MHz的時鐘驅(qū)動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），此時的TXD與TX_CTL與最初的125MHz時鐘是沿對齊的。特殊之處在于，TXC同樣由ODDR產(chǎn)生，該ODDR的驅(qū)動時鐘為最初的125MHz時鐘相移90度后的另一時鐘tx_clk90，如圖4.9所示。之所以采用ODDR產(chǎn)生TXC是因為此時的TXC就與TXD、TX_CTL經(jīng)過了相同的ODDR延時，最終TXC與TXD、TX_CTL就是中心對齊的。

編輯：hfy