Xilinx FPGA 7系列 GTX/GTH Transceivers

1概述

Xilinx 7系列FPGA全系所支持的GT，GT資源是Xilinx系列FPGA的重要賣點(diǎn)，也是做高速接口的基礎(chǔ)，GT的意思是Gigabyte Transceiver，G比特收發(fā)器。不管是PCIE、SATA、MAC等，都需要用到GT資源來(lái)做數(shù)據(jù)高速串化和解串處理，Xilinx不同的FPGA系列擁有不同的GT資源類型，低端的A7由GTP，K7有GTX，V7有GTH，GTZ被用于少數(shù)V7系列，更高端的U+系列還有GTY等，他們的速度越來(lái)越高，應(yīng)用場(chǎng)景也越來(lái)越高端。。。

7系列FPGA GTX和GTH收發(fā)器是功率高效的收發(fā)器，GTX收發(fā)器支持500 Mb/s至12.5 Gb/s的線路速率，GTH收發(fā)器支持13.1 Gb/s的線路速度。GTX/GTH收發(fā)器具有高度可配置性，并與FPGA的可編程邏輯資源緊密集成。

高速收發(fā)器性能對(duì)比

2 GTX/GTH收發(fā)器支持以下使用模式

關(guān)于GTX介紹最詳細(xì)的肯定是Xilinx官方的《ug476_7Series_Transceivers》 以此來(lái)解讀GTX:

GTX/GTH收發(fā)器支持以下使用模式：

? PCI Express, Revision 1.1/2.0/3.0

? 10GBASE-R

? Interlaken

? 10 Gb Attachment Unit Interface (XAUI), Reduced Pin eXtended Attachment Unit

Interface (RXAUI), 100 Gb Attachment Unit Interface (CAUI), 40 Gb Attachment Unit

Interface (XLAUI)

? Common Packet Radio Interface (CPRI?)/Open Base Station Architecture Initiative

(OBSAI)

? OC-48/192

? OTU-1, OTU-2, OTU-3, OTU-4

? Serial RapidIO (SRIO)

? Serial Advanced Technology Attachment (SATA)/Serial Attached SCSI (SAS)

? Serial Digital Interface (SDI)

? SFF-8431 (SFP+)

3 GTX內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)

如下圖所示，Xilinx以Quad來(lái)對(duì)串行高速收發(fā)器進(jìn)行分組，四個(gè)串行高速收發(fā)器（GTXE2_CHANNEL）和一個(gè) GTXE2_COMMOM組成一個(gè) Quad，每一個(gè)串行高速收發(fā)器稱為一個(gè) Channel(通道）。

一個(gè)QUAD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示，由四個(gè)GTXE2_CHANNEL 原語(yǔ)和一個(gè)GTXE2_COMMON原語(yǔ)組成。

GTXE2_COMMON原語(yǔ)包含一個(gè)LC-tank PLL(QPLL)。

每一個(gè)GTXE2_CHANNEL 原語(yǔ)包含一個(gè)TX，一個(gè)RX和一個(gè)CPLL。

下圖為GTXE2_CHANNEL原語(yǔ)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

GTXE2_CHANNEL 的發(fā)送端和接收端功能是獨(dú)立的，均由 PMA(Physical Media Attachment，物理媒介適配層)和 PCS(Physical Coding Sublayer，物理編碼子層)兩個(gè)子層組成。其中 PMA 子層包含高速串并轉(zhuǎn)換(Serdes)、預(yù)/后加重、接收均衡、時(shí)鐘發(fā)生器及時(shí)鐘恢復(fù)等電路。PCS 子層包含8B/10B 編解碼、緩沖區(qū)、通道綁定和時(shí)鐘修正等電路。

從上圖中可以看到單個(gè) Channel 由發(fā)送接口和接收接口組成，每個(gè)接口又分為兩部分結(jié)構(gòu)，這兩部分結(jié)構(gòu)分別是 PMA 和 PCS。PMA 和 PCS 內(nèi)部又由許多功能模塊構(gòu)成。

3.1 8b10b編解碼

通常說(shuō)8b10b是一個(gè)編碼方式。在這里還指GTX PCS中的一個(gè)模塊。

作為編碼，8b10b有平衡電平，防止連續(xù)1/0的功能。編碼分為正負(fù)碼和特殊K碼。最常用的K碼應(yīng)該是k28.5。8b10b最大的優(yōu)勢(shì)在于自帶錯(cuò)誤檢測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)8b10b錯(cuò)誤的時(shí)候，大概率是鏈路質(zhì)量有問(wèn)題。8b10b最大的劣勢(shì)是效率比較低，有20%的額外開銷，所以常用于低于8G的場(chǎng)景，最常見(jiàn)的、使用8b10b、同時(shí)又高于8G線速率的似乎是CPRI Rate7，線速率9.8G左右。除了8b10b之外，還有其他很多編碼方式，比如64b66b。

3.2 PRBS

PRBS是偽隨機(jī)序列碼，GTX自帶了PRBS的生成器（在TX內(nèi)部）和PRBS接收/檢查模塊（在RX內(nèi)部）。ibert中的誤碼率檢查就是基于內(nèi)置的PRBS模塊。

從結(jié)構(gòu)圖可以看到，PRBS和8b10b沒(méi)有項(xiàng)目連接的直接關(guān)系，所以ibert的測(cè)試中沒(méi)有使用8b10b編碼（也沒(méi)有使用其他編碼）。同時(shí)內(nèi)部的PRBS也不支持使用其他編碼。所以如果想在GTX外部使用PRBS信號(hào)源，可以另外單獨(dú)做PRBS的生成器和校驗(yàn)?zāi)K。Xilinx似乎是有相關(guān)參考設(shè)計(jì)的。

3.3 QPLL和CPLL

已經(jīng)知道四個(gè)GTX為一組，稱呼為Quad，每個(gè)GTX稱呼為Channel，就很容易理解QPLL和CPLL了。QPLL是一個(gè)Quad共用的PLL，GTX一個(gè)Quad只有一個(gè)QPLL。CPLL是每個(gè)Channel獨(dú)有的PLL。

QPLL時(shí)鐘源結(jié)構(gòu)圖

CPLL源時(shí)鐘結(jié)構(gòu)圖

從底層角度看，由于CPLL是每個(gè)Channel獨(dú)有的，所以CPLL的所有接口都在Channel這個(gè)底層模塊中。而QPLL是另外使用了一個(gè)叫common的底層模塊。

GTX中QPLL和CPLL，除了數(shù)目（一個(gè)Quad一個(gè)QPLL四個(gè)CPLL）和歸屬(QPLL屬于common，CPLL屬于Channel)不同之外，最大的不同在于支持的最高線速率頻率不同。CPLL最高只有6.xG，而QPLL可以超過(guò)10G（具體數(shù)值要根據(jù)器件的速度等級(jí)來(lái)查詢DataSheet）。

即使QPLL工作在很高的線速率下，Channel也可以工作在較低的線速率下。具體的實(shí)現(xiàn)方案就是

使用Channel自帶的CPLL而不用QPLL；

2.Channel可以將QPLL的速率按2的倍數(shù)進(jìn)行降低；這樣同一個(gè)參考時(shí)鐘下，一個(gè)Quad的不同GTX有機(jī)會(huì)跑在不同的線速率下。當(dāng)然這一需求需要更多的操作，IP本身無(wú)法實(shí)現(xiàn)。