如何理解GTX发送通道的用户接口？（高速收发器二）_gtx接口

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  前文讲解了高速收发器的QPLL及CPLL和差分时钟相关内容，如下图所示。本文就打开高速收发器通道的内部结构，进行简要讲解。

图21GTXE2_CHANNEL原始拓扑

  收发器的内部框图如下所示，上半部分是发送通道，下半部分是接收通道，均包含PCS和PMA两部分。其中PMA的功能为：串并转换和模拟部分。PCS的功能为：并行的数字电路处理。

图2 GTXE2_CHANNEL原始拓扑

  本文先讲解发送通道，接收通道的很多内容相似，只有部分区别，下图是发送通道的内部框图，搞懂这张图，基本上发送通道的功能就了解的差不多了。

图3 GTX收发器TX框图

1. FPGA TX Interface

  GTX发送通道的用户接口，用户数据通过该接口的信号输入。用户输入的数据TXDATA与用户发送时钟TXUSRCLK2上升沿对齐，数据位宽可以设置为2、4、8字节，常用数据位宽4字节，即32位。

2、8B/10B Encoder

  对待发送的数据进行8B/10B编码，作用与前文DVI接口的TMDS编码一致，直流均衡，保证已传输的数据中1和0的个数长期相等。

  在配置IP时，可以选择发送/接收数据的编码/解码方式，如果把用户数据位宽设为32位，采用8B/10B编码，则编码后的数据位宽为40位，如下图所示。

图4 8B/10B编码

  这个数据的位宽大小其实与线速率和编码方式均有关，如下表所示，当使能8B/10B编码时，发送数据位宽TX_DATA_WIDTH只能设置为20、40、80。

  注意表中TX_DATA_WIDTH表示一个用户数据经过8B10B编码后的数据位宽，而FPGA Interface Width表示用户接口每次传输的数据位宽，该数据与后文的TXUSRCLK2对齐。Internal Data Width表示PCS内部并行数据一个时钟传输的数据位宽，该数据与后文的TXUSRCLK对齐。

  当TX_DATA_WIDTH与Internal Data Width相等时，表示PCS内部传输一个数据只需要一个时钟，此时TXUSRCLK的频率与TXUSRCLK2频率会相等。如果TX_DATA_WIDTH是Internal Data Width的二倍，则PCS内部需要两个时钟才能传输一个经过8B10B编码后的用户数据，那么TXUSRCLK的频率是TXUSRCLK2频率的2倍。可以在后文图12的时钟关系中进行验证。

  PCS内部每次可以传输2字节或者4字节数据，通过TX_IN_DATAWIDTH参数进行设置，TX_IN_DATAWIDTH为0时每次传输2字节数据，为1时每次传输4字节数据，当线速率大于6.6Gb/S时，每次必须传输4字节数据。

  因此由下表可知，当线速率为10Gb/S，使能8B/10B时，用户数据位宽只能为32或者64位，并且编码后的数据位宽均为40位。

图5 数据位宽

  当不使能8B/10B编码且线速率小于6.6Gb/S时，用户输入的数据位宽可以是16、20、32、40、64、80。此时如果TXDATA为16/32/64，TX_DATA_WIDTH为20/40/80，TXCHARDISPMODE和TXCHARDISPVAL端口用于将TXDATA端口从16位扩展到20位、32位扩展到40位或64位扩展到80位。如下图所示。

  通过下图可知GTX先发送低字节数据，后发送高字节数据。

图6 8B/10B编码器旁路时发送的TX数据

  在多数情况下都是要使用8B/10B编码或者64B/66B编码的，此时TXCHARDISPMODE和TXCHARDISPVAL可以用来控制极性，与TMDS编码类似，直流均衡，硬核模块可以自己实现，用户也可以通过这两个信号自己实现。

  采用8B/10B编码，每传输10bit数据，需要传输2bit无效数据。数据传输效率只有百分之八十，为了提高数据传输速率，同时保留编码方案的优势，可以使用64B/66B编码。

3. TX Gearbox

  支持使用64B/66B编码，由图3可知，8B/10B Encoder和TX Gearbox的输入、输出都是连接的同一个端口。

  因此在实际使用时，如果不使用编码，数据直接到达数据选择器输入端，然后输出。如果使用8B/10B编码，则会经过8B/10B Encoder到达数据选择器输入端。如果使用64B/66B则经TX Gearbox到达数据选择器输入端口。在使用64B66B编码时详细讲解该部分内容。

4. TX PIPE Control

  全称为Physical Interface for PCI Express，PCIe物理层接口。如果使能PCIE接口，则该通道是PCIE的数据通道，否则将不会被使用。

5. Pattern Generator

  伪随机序列（Pseudo-random bit sequences，PRBS），频谱接近白噪声，一般用于高速串行通信通道传输的误码率测试。相关的设置端口如下所示，原理与M序列类似。

图7 PRBS端口设置

  手册中显示提供了四种PRBS波形，分别是PRBS-7、PRBS-15、PRBS-23、PRBS-31，其中PRBS-7的表达式为x^7+x^6+1，输出数据每2^7-1个时钟循环一次，实现方式也很简单，几个移位寄存器加异或门就行了。

图8 TX PRBS码发生器模块

6和16、TX Phase Interpolator Controller

  TX相位插值器控制器模块，允许使用PCS中的TX相位插值器PPM（百万分之一）控制器模块来控制TX PMA中的TX PI，以优化高速数据传输过程中的信号质量，保持传输的稳定性和可靠性。

7. Phase Adjust FIFO

  相位调整FIFO缓冲器如下图是时钟域的划分，在发送端的PCS子层里面有两个并行时钟域，分别是PMA相连的并行时钟（XCLK）和TXUSRCLK时钟。要传输数据，XCLK速率必须与TXUSRCLK速率匹配，并且必须解决两个域之间的所有相位差。

  GTX的发送数据通道包括一个FIFO缓冲器和一个TX相位对准电路，用于解决XCLK和TXUSRCLK域之间的相位差。

图9 GTX收发器TX框图

  FIFO缓冲器优势就是设计比较简单，用户可以不用去管内部实现，只需要在调用IP时勾选下图中1处选项即可，缺点是FIFO的延迟比较大，导致用户把数据输入GTX到GTX输出数据的时间比较长.如果不考虑这部分延迟，推荐直接使用FIFO即可。

图10 跨时钟域及时钟处理

  如果对延时比较敏感，则可以使用相位对齐电路，只不过需要用户自己编写这部分控制代码，如果代码出现错误，将无法正常接收和发送数据。

  在图10中还可以设置用户发送端口TXUSRCLK和用户接收端口RXUSRCLK的时钟来源，首先应该了解下TXUSRCLK和TXUSRCLK2。

  TXUSRCLK是GTX发送通道中PCS逻辑的内部时钟，TXUSRCLK的速率取决于GTXE2_CHANNEL原语的内部数据路径宽度和GTX发送通道的线路速率，计算公式如下所示。

图11 TXUSRCLK频率计算

  TXUSRCLK2是GTX发送通道所有信号的主同步时钟。TXUSRCLK2和TXUSRCLK的频率关系与TX_DATA_WIDTH、TX_INT_DATAWIDTH有关，如下图所示。

图12 时钟关系

  **TXUSRCLK和TXUSRCLK2必须正边沿对齐，并且源时钟必须相同，两者之间的偏斜尽可能小。**一般使用BUFG、BUFH、BUFR来驱动TXUSRCLK和TXUSRCLK2。

  因此一般将GTX IP输出的TXOUTCLK时钟信号作为TXUSRCLK和TXUSRCL源时钟信号，用户其实只需要关注TXUSRCLK2和RXUSRCLK2即可，其余两个用于IP内部，与用户关系不大。

  如果IP设置为图10所示，那么时钟关系如下所示，GTX IP输出的TXOUTCLK通过一个MMCM生成RXUSRCLK、RXUSRCLK2、TXUSRCLK、TXUSRCLK2时钟信号，全部输入GTX IP内部，其中RXUSRCLK2和TXUSRCLK2分别输出作为用户接收、发送的时钟信号。

图13 时钟信号

  图10的设置好处在于TXUSRCLK2和RXUSRCLK2信号是同一个信号，那么用户的发送端和接收端使用的是同一时钟信号，不需要跨时钟处理。

  前文讲解了GTX的QPLL和CPLL等时钟信号，本文对外部时钟与发送、接收通道内部时钟的关联做简要介绍，下图是发送通道的时钟架构。

  下图是发送通道内部的串行和并行时钟分频器，部分内容可以与前文的外部时钟相互对应。

图14 TX串行和并行时钟分频器

  下图是前文讲解QPLL和CPLL出现的图，上下两图中1处其实都是同一个器件，上图中IBUFGDS输出信号可以通过REFCLK_CTRL控制引脚输出到BUFG、BUFH、CMT，这是什么意思？

  这就意味着GT bank的差分时钟转换为单端时钟后，可以作为其他bank的时钟信号，毕竟BUFG能够驱动FPGA内部所有时钟资源吧，不了解的可以查看前文对7系列FPGA时钟资源的讲解。但REFCLK_CTRL这个信号由软件自动生成，用户无法控制。

  上图中的3处其实与下图的4处是相同结构，均是数据选择器、CPLL，上图4是QPLL的输出时钟和参考时钟，其中QPLL的输出时钟QPLLCLK和CPLL的输出时钟通过TXSYSCLKSEL[0]的选择作为TX PMA的输入时钟。

图15 时钟信号

  该时钟输入TX PMA之后，需要经过 “Phase Interp”后被D分频，然后分为两路，一路直接作为并串转换模块的串行时钟，另一类继续经过两次分频作为并串转换模块并行时钟，并且输出到PCS侧作为其时钟，还输入到下半部分的数据选择器中。

  这里并串转换为什么会配置一个D分频的分频器？

  首先要明确这个时钟的频率能够影响什么？作为并串转换的串行时钟，毫无疑问直接影响的就是转换后的数据的线速率，通过控制该分频器能够在一定范围内调节该通道的线速率。

  这样就好回答具体原因了，每个GT bank有四个通道，但是却共用同一个QPLL，那如果四个通道的线速率均大于6.6Gb/S，但是线速率却不等，该如何实现？此时只能使用QPLL输出时钟，而QPLL输出时钟只有一个，此时就只能通过调节每个通道内部的D分频器，来实现不同通道不同线速率的目的。

  但是D分频器只能实现1、2、4、8分频，分频系数可以动态设置也可以静态设置。当静态设置时，必须把分频系数TXOUT_DIV设置为固定值，并且将TXPATE设置为3’b000。

  如果要实现动态线速率，需要在生成IP时勾选TXRATE信号，TXOUT_DIV和TXRATE必须在器件配置时选择相同的D分频器值，器件配置后，通过TXRATE动态更改D分频器值。

图16 TXRATE设置

  分频系数设置如下图所示，静态时通过TXOUT_DIV的值进行设置，动态时根据TXRATE的值进行设置，默认分频系数为1。

图17 TX PLL输出分频器设置

  之后还要讲解下图14中后两个分频器的作用，这两个分频的输入作为并串转换模块的串行时钟，而输出作为并串转换模块的并行时钟，分频系数毫无疑问与并行数据位宽有关。

  两个分频器能够组成的分频系数有8、10、16、20，由图5可知，PCS内部传输数据位宽只有16、20、32、40这几种，即并串转换的并行数据位宽取值为16、20、32、40。

  可以推测串行数据是在串行时钟的双沿完成转换的，在8倍频率的时钟下将16位并行数据转换为串行数据输出，其他分频系数转换道理类似。

  下图中的TXOUTCLKPCS和TXOUTCLKFABRIC用户不需要关注，没有输出到用户接口。

图18 TX串行和并行时钟分频器

  重点在于TXOUTCLK，时钟来源可以是TXOUTCLKPCS、TXOUTCLKPMA、QPLL或者CPLL参考时钟或参考时钟二分频，还可以选择是否对时钟来源进行延迟。

  TXOUTCLK输出到BUFG，就处于“GTPE2_CHANNEL”外部了，根据用户的数据位宽，生成对应的参考时钟信号，下图是2字节或者4字节数据位宽时，可以使用的时钟结构。

图19 单通道TXOUTCLK驱动txusrclk 2（2字节或4字节模式）

  用的比较多的应该是下图所示的时钟结构，TXOUTCLK输出到BUFG，然后通过MMCM生成TXUSCLK和TXUSCLK2，其中TXUSCLK2作为用户接口的时钟信号。图13就是使用的该结构生成用户时钟信号。

图20 单通道TXOUTCLK驱动txusrclk 2（4字节或8字节模式）

  下图是单通道的TXOUTCLK通过MMCM生成TXUSRCLK和TXUSRCLK2驱动多个通道的时钟信号，这样做的好处应该是多个通道的数据都处于同一时钟域下，便于数据同步。

图21 多通道TXOUTCLK驱动txusrclk 2（4字节或8字节模式）

  通过FIFO缓冲器引出了内部时钟的相关讲解，接下来回归正文，继续讲解下图中的其余资源， 将图在贴一遍，不然文章过长不好阅读。

图22 GTX收发器TX框图

8 .SATA OOB

  SATA是硬盘接口，建立通信主要是通过检测OOB(Out Of Band)实现的，并且向上层传输连接情况，因此只有在使用SATA协议时，才会使用该模块，否则不用考虑。

9. PCIE Beacon

  PICE唤醒功能，只有在使用PCIE协议时才会用到，否则不考虑。

10. Polarity

  极性控制，这个作用比较大，主要时针对PCB设计时将差分对设计反了，模块内部可以将极性反转，从而解决PCB设计问题。

  在生成IP时一般会勾选极性控制选项，后续如果PCB设计或者其他板卡引脚极性相反时，只需要将该信号设置为1’b1，将板卡内部的极性输出也翻转即可，如下图所示。

图23 极性翻转勾选

11. PISO

  并串转换模块（parallel input Serial output），在前面讲解时钟分频时已经讲解过作用了，就是在时钟双沿将PCS发送的并行数据转换为串行数据。

12及14、 TX Pre/Post Emp和TX Driver

  GTX的TX驱动器是高速电流模式差分输出缓冲器，如下图所示。为了最大限度地提高信号完整性，具有差分电压控制、光标前和光标后传输预加重、校准终端电阻功能。

图24 TX可配置驱动器框图

  需要明白一个道理，高速信号在长距离、线速率较高的传输时，损耗是很严重的。经过损耗衰减之后，为了让接收端还能检测到数据，在发送端会做预加重和去加重处理，增大差分输出信号的摆幅等等，让其经过传输损耗之后差分信号的幅值变为零。

  用户只需要调节两个参数的值就可以调节预加重和去加重了，在配置IP时勾选下面两个选项即可。至于参数具体应该设置为多少，要根据实际的电路进行眼图扫描，然后确定最佳参数，关于眼图在接收通道的章节进行讲解。

图25 预加重及去加重选项

13. TX OOB and PCIE

  使用PCIE、SATA协议时才会使用的功能，否则不会用到。

15. TX Clock Dividers

  这个就是时钟的分频模块，在前半段讲解的D分频及后续两个分频时已经详细讲解了，此处不再赘述。

  终于写完GTX发送通道的相关内容了，手册这部分内容大概有接近70页，我只用了不到13页，部分暂时不会使用的内容暂时忽略，重点在于时钟的讲解，很多模块都是针对SATA、PCIE这些协议的，忽略这些，其实也还是比较简单的。

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