基于FPGA的Aurora 8b10b光通信測試方案

概述

本文開源一個FPGA高速串行通信項目：Aurora 8b10b光通信。7 Series FPGAs Transceivers Wizard IP是Xilinx官方7系列FPGA的高速串行收發(fā)器，本工程主要是圍繞該IP核采用Vivado提供的例程創(chuàng)建。

下面主要介紹一下7 Series FPGAs Transceivers Wizard IP核的參數(shù)配置以及如何建立該項目Vivado工程。

軟硬件平臺

軟件平臺 ：Vitis 2019.2;

硬件平臺 ：XC7Z035FFG676-2;

IP核參數(shù)配置

GT Selection

GT Selection相關(guān)參數(shù)配置保持默認即可；

Line Rate, RefClk Selection

Protocol ：此選項下有多種協(xié)議可供選擇，這里選擇 Aurora 8b10b single lane 4bytes，對外接口也就是32位；

TX & RX ：收發(fā)器是獨立的，可以選擇不同的編碼和速度，對于GTX收發(fā)器最大是10.3125Gbps，這里選擇5Gbps。參考時鐘必須和FPGA板卡上的時鐘一致，為125MHz。

Transceiver Selection ：該項目采用的FPGA型號為MK7325，有兩個SFP接口，分別連接到GTX_X0Y12和GTX_X0Y13；

Encoding and Clocking

TX & RX ：內(nèi)部數(shù)據(jù)寬度設置為20（16bit數(shù)據(jù)利用8b10b編碼為20bits），兩個內(nèi)部數(shù)據(jù)拼接為1個32bit外部數(shù)據(jù)，編碼方式采用8b10b編碼，這種編碼方式最主要的目的是保持 直流平衡，根據(jù)特定的編碼表實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中0和1的數(shù)量基本一致，減少連續(xù)0或1的情況。DRP/System Clock是動態(tài)重配置/系統(tǒng)工作時鐘，通過DPR可以根據(jù)所配置線速率和協(xié)議實時調(diào)整收發(fā)器參數(shù)。DRP時鐘頻率設置為100MHz，可以通過外部PLL產(chǎn)生，利用DRP時鐘初始化一些GTX控制器信號或者參數(shù)；

Synchronization and Clocking ：TXUSERCLK,和 RXUSERCLK 時鐘的選擇一般TXUSERCLK可以直接選擇TXOUTCLK作為用戶時鐘，而RXUSERCLK可以選擇TXOUTCLK也可以選擇RXUSERCLK，還可以選擇RXPLLREFCLK作為用戶時鐘。這里就涉及到一個同步的概念，如果時鐘不一致必須設置TX和RX的 BUFFER，默認都是設置的。另外輸入TX的發(fā)送時鐘和RX的恢復時鐘差異交大，可能會導致RX BUFFER的溢出或者讀空，而導致數(shù)據(jù)出錯。比較好的解決辦法就是設置RXUSERCLK為RXOUTCLK，就是利用恢復時鐘作為用戶時鐘，這樣就很好的解決了同步的問題了。

Comma Alignment and Equalization

Comma Value ：設置K碼為K28.5，K碼用于修正數(shù)據(jù)對齊，其它選項保持默認配置即可；

PCIe SATA PRBS

保持默認配置即可；

CB and CC Sequence

Clock correction ：選擇支持時鐘校準，設置每5000個字節(jié)發(fā)送一組CC Seq，因為從數(shù)據(jù)流中恢復出來的時鐘和本地產(chǎn)生的FIFO讀側(cè)的時鐘的頻率不可能完全一致，所以才要進行CC處理。這個周期是根據(jù)發(fā)送側(cè)和接收側(cè)的時鐘差算出來，然后再根據(jù)實際調(diào)試結(jié)果進行一定的修正。

Summary

根據(jù)上圖可以看出，TXUSRCLK和RXUSRCLK頻率為250M，TXUSRCLK2和 RXUSRCLK2為125M，也就是我們寫代碼要使用的時鐘。

Vivado工程創(chuàng)建

右擊IP核，選擇 open IP example design；

其中，gt aurora GT FRAME GEN模塊功能是產(chǎn)生要發(fā)送的測試數(shù)據(jù)，gt aurora GT FRAME CHECK模塊檢查回環(huán)收到的數(shù)據(jù)是否正確；

由于開發(fā)板的SFP屏蔽籠的tx_disable引腳都默認接了上拉電阻。要使收發(fā)回環(huán)測試可以正常進行，必須要將tx_disable引腳拉低。因此，在example design的頂層模塊，添加2個sfp_tx_disable引腳，且均置為0即可；

將drp_clk直接連入sysclk，官方例程這個時鐘是引腳進來的加了bufg，該工程用PLL產(chǎn)生；

接下來我們將在硬件上實現(xiàn)回環(huán)傳輸測試數(shù)據(jù)的功能，首先我們需要從外部給出一個自由時鐘，hb_gtwiz_reset_all_in復信號是高電平有效，用戶直接拉低即可。由于開發(fā)板的SFP屏蔽籠的tx_disable引腳都默認接了上拉電阻。要使收發(fā)回環(huán)測試可以正常進行，必須要將tx_disable引腳拉低；

最后在示例工程里添加必要的ILA，去抓取對應的信號。

功能測試

本工程實現(xiàn)功能為光纖信號8b10b回環(huán)傳輸，F(xiàn)PGA板上測試結(jié)果如下圖所示，可以看到gt0_error_count_i信號保持為0，也就是說8b10b光通信傳輸正常。