基于Ultrascale+系列GTY收发器的8b/10b编码方式的数据传输（一）——GTY IP核介绍及配置

GT功能介绍

  本节对GTY高速收发器用户手册内容进行简单整理，完整内容请参考UltraScale Architecture GTY Transceivers User Guide (UG578)。

  GT（Gigabit Transceiver）是PFGA中用于高速协议数据收发（如PCIe、万兆以太网、SATA等）的硬核资源，它的主要功能类似与iserdes/oserdes，用于进行外部输入的高速串行数据与FPGA能够处理的慢速并行数据的相互转换。Ultrascale+系列的GTY与其他系列的GTP、GTX、GTH等功能相似，主要在支持的最大时钟频率，即数据传输的最大频率上存在差异。

  在Ultrascale+系列的FPGA中，GT资源存在于GT bank中，每个GT bank共具有1个GT COMMON和4个GT CHANNEL，其中GT COMMON主要负责为GT CHANNEL提供时钟，4个GT CHANNEL各负责利用1个TX引脚和1个RX引脚进行数据收发。

  Ultrascale+系列的GTY的GT CHANNEL的结构框图如下，TX和RX部分均由PCS、PMA两个部分构成，其中PCS用于对并行数据进行处理、PMA用于对串行数据进行处理。可以看到GT除了串并转换（PISO、SIPO）外，在PCS部分还包括有其他辅助模块，这些辅助模块主要为了解决传输高速数据传输过程的额外问题。

高速数据传输的问题：

噪声与信号衰减：在长距离数据传输时，信号很容易出现衰减，GT的PMA侧提供了LPM（低功耗）/DFE（高性能）两种均衡器。

时钟恢复：为了避免走线延时的差异。高速数据传输通常采用串行差分方式进行数据传输，这种方式需要在数据中携带时钟。为了便于GT接收部分能够恢复时钟，数据信号需要保证不出现连续1或0，因此GT往往需要采用编码方式将用户数据转换为不连续出现1或0的数据信号，GTY内置的编码方式包括8B/10B、64B/66B、64B/67B（后两者位于Gearbox中）、128B/130B。

直流平衡：数据信号不出现连续1或0除了为了便于时钟恢复外，还为了用于实现直流平衡，避免因较长的1系列产生的直流电平对滤波器的电容充电，导致电压不平衡问题和误码。为此，在不传输数据时，发送端需要不断发送不出现连续1或0的伪随机数。

带宽匹配：由于编码方式的存在，编码数据和解码数据间的带宽存在差异，接收侧采用Elastic Buffer弹性缓冲区（类似FIFO，在缓冲区快满时不传输控制字符以降低带宽）用于解决带宽不一致的问题。

8B/10B编码方式

  本文采用8B/10B编码方式进行实现，8B/10B编码将8bit即1个字节的数据为一组编码为10bit的编码数据。共分为数据字符编码和控制字符编码两种类型。

数据字符编码：为了便于硬件实现，8B/10B编码将原始8bit字节被拆分为高3bit X和低5bit Y，在表示时采用DY.X的方式进行表示，其中D表示数据，如下表所示展示了0-21共22种数据的8B/10B编码关系，每个8bit数据对应两种10bit编码，两种编码一种为1的个数比0的个数多两个的正极性（RD+）编码，一种为0的个数比1的个数多两个的负极性（RD-）编码，在传输时正极性编码与负极性编码交替传输（即第一次传RD+，第二次RD-，第三次RD+…），这样1与0的个数差异不会超过2，从而保证直流平衡。

控制字符编码（K码）：控制字符编码采用KY.X的方式表示，它在编码后的10bit字符上与DY.X存在差异。控制字符的存在主要为了解决字节对齐、通道对齐、时钟纠正、帧起始、帧结束等编码方式遗留的问题。

字节/逗号对齐（Comma alignment）：由于数据信号0、1连续变化，为了区分输入的串行数据哪10个bit为一组，引入了K28.1、K28.5两种K码。

通道对齐（Channel bonding）：由于1组TX、RX收发带宽存在上限，例如PCIe协议通常采用多组TX、RX进行收发从而提升带宽，受走线延时影响，多组TX、RX的数据到达时间存在偏移。为了解决延时不一致的问题，TX可以向RX发送包含K码的通道对齐序列，由通道绑定控制器调节弹性缓冲区的输出延时。使用时需要指定时钟纠正与通道对齐两者的优先级。

时钟纠正（Clock Correction）：弹性缓冲区两侧的时钟（RX PMA恢复的时钟与RX接收端产生时钟）间可能存在微小的差异（受工作条件影响），在长时间数据收发过程后累积可能产生多个周期的差异，为了解决时钟差异问题，TX可以定期向RX发送包含K码的时钟纠正序列，当RX弹性缓冲区变满时，可以将时钟纠正序列删除，当RX弹性缓冲区变空时，可以输出时钟纠正序列。

帧格式定义：8B/10B编码通常采用帧的方式进行突发数据传输，如Aurora 8B/10B、PCIe1.0/2.0等，其中帧开始、帧结束设置为两个不同的K码。

IP核配置

编码设置：本文使用Xilinx Virtex Ultrascale+HBM VCU128开发板进行测试，使用QSFP1端口对应GT自环测试，采用8B/10B编码方式的GTY IP核的配置如下，线速率选择默认10Gbps，为了使用8B/10B编码，需要在Encoding部分选择8B/10B方式，这时用户数据位宽可设为32 / 64（不同位宽用户时钟频率不同），内部数据位宽将为40。在参考时钟上使用QSFP1所在GT BANK的参考时钟，时钟频率156.25MHz。

复位时钟设置：GT在使用前必须进行复位，GTY的复位包含时钟（GT COMMON）复位、发送复位、接收复位三个部分，其中发送复位与接收复位独立进行。

  由于GT COMMON/CHANNEL复位前不保证时钟能正常产生，因此需要使用额外一个时钟控制复位逻辑，这里使用128板卡的默认100MHz时钟。Free-runing时钟频率设置为100MHz。

字节对齐设置：本文8B/10B采用K28.5编码作为逗号，对应极性编码写入正逗号和负逗号后，其中逗号对齐的对齐边缘选项用于规定逗号在32bit用户数据信号中出现的位置，从而能够实现用户数据字节的对齐：

时钟纠正设置：如下图所示，时钟纠正需要指定时钟纠正的序列长度。本文以1个时钟纠正序列，长度为2为例，时钟纠正采用K28.5进行。

其他设置：本文主要介绍8B/10B编码，其他设置采用IP核内部生成的方式。

  本文介绍了基本8B/10B传输所需的GTY IP核配置，下文将利用本文配置的IP核进行数据收发。

工程代码

  本文所涉及的工程代码可在同名公众号回复GTY_8B10B_SIMPLE下载。