高速串行总线实践（1）Xilinx Virtex-4 RocketIO的端口和属性_专栏

前言

从本篇开始，正式进入Xilinx的具体器件MGT的实践篇，从数据手册、demo例程、网站论坛以及实践经验入手，一起体会MGT知识之浩瀚！

用户手册约定事项

用户手册会约定一些共识（如Channel与Transceiver之间的关系：在Xilinx器件中等价！），供使用者参考，例如下面是Xilinx FPGA 器件Virtex-4手册约定的一些共识：

端口和属性名称 RocketIO收发器原语的所有输入和输出端口均以大写字母表示。 RocketIO收发器的属性可以用带下划线的大写字母或所有大写字母表示。当假定为相同频率时，RXUSRCLK和TXUSRCLK称为USRCLK，可以互换使用。 RXUSRCLK2，TXUSRCLK2和USRCLK2也是如此。
Comma定义 逗号是收发器使用的 "K "字符，用于对齐字节/半字边界上的串行数据（取决于使用的协议），以便将串行数据正确解码为并行数据。

抖动定义 抖动的定义是信号的重要瞬时与理想位置在时间上的短期变化（ITU）。抖动通常用单位间隔（UI）的小数点表示，例如，0.3 UI。
总抖动（DJ + RJ）定义

确定性抖动（DJ）– DJ是与数据模式有关的抖动，由于介质的损耗效应而产生的符号间干扰(ISI))。DJ是线性加成的。
随机抖动（RJ）– RJ是由于随机源引起的，例如热噪声和闪烁噪声等。 RJ是平方和的加法并遵循正态分布。

MGT定义 MGT术语是指Virtex-4 RocketIO千兆位收发器。明确指出了前几代产品：Virtex-II Pro RocketIO或Virtex-II Pro X RocketIOX。

RocketIO收发器基本架构

Virtex-4 FPGA MGTs 数量

V4 FPGA不同型号设备具有不同数量的FPGA，如下图：

上图XC4VFX60型号的FPGA具有不同数量的MGT核，这是根据不同封装而区分的。

MGT支持的通信标准

收发器模块设计为可以在每个通道622 Mb / s至6.5 Gb / s的任何串行比特率下工作，包括下表所列的通信标准所使用的特定比特率。

注：通道和Transceiver对应，一个通道即为一个收发器。

MGT架构框图

注：不支持64B/66B编解码；

有关收发器（Transceiver）架构框图在之前的MGT通用架构中就提到过，高速串行总线设计基础（三）SERDES的通用结构介绍, 如接收端的解串行化、Comma检测、8B/10B解码、通道绑定与时钟校正等；发送与接收是一个互逆的过程，发送端有8B/10B编码、缓冲FIFO、解扰、并串转换等。

在Xilinx Virtex-4的Transceiver结构中，还支持动态重配置等其他功能；

不得不提的是Xilinx中MGT的具体结构的专业术语，Xilinx V4 RocketIO MGT收发器由PMA以及PCS组成。

通俗而言：

PMA（Physical Media Attachment ）由一些较为硬（模拟）的部分组成；
PCS（Physical Coding Sublayer）由一些较为软（数字）的部分组成；

下面具体解释：

PMA包含串行/解串器(SERDES)、TX和RX输入/输出缓冲器、时钟发生器和时钟恢复电路。PMA包含串行器/解串器(SERDES)、TX和RX输入/输出缓冲器、时钟发生器和时钟恢复电路。PCS包含8B/10B编码器/解码器和支持通道绑定和时钟校正的环形缓冲器。不知大家看到结构中Gearbox这个结构了没有？从字面上看，Gearbox是变速箱的意思，可是并不是太好理解，Gear是齿轮，Box是盒子，箱子，可以理解为一个模块罢了。有了这些通俗的印象，可以告诉你Gearbox是Xilinx GTX/GTH提供的支持其他编码方式（如64B/66B编码等）的模块，Gearbox的知识远非这些，更多内容后续会有专题。

本节不重点介绍这些内容，具体介绍参考后续博文。

并行数据时钟与数据速率之间的关系

这个话题在过往的博客中也提到过：FPGA设计心得（13）aurora的线速率及其用户时钟之间的关系？

这篇博客中讲的是用户时钟，其实就是MGT中的并行数据时钟，数据速率也指的是串行数据速率，即线速率。至于数据速率与并行数据时钟之间的关系，可以由下面一句话总结：

如果MGT采用的是8B/10B编码，则线速率v与并行数据时钟频率Fp之间的关系为v =Fp x W x (8 + 2) ，其中W为数据位宽，以字节为单位。其中8d的含义是一个字节具有的比特数，2的含义是一个字节通过编码得到的比特数。如果不采用编码，则公式：v =Fp x W x 8

在之前的博客中是通过Verilog逻辑以及aurora IP核一起得出该关系，这里通过Virtex-4支持的通信协议来入手，一起来看下这种关系：

去两个典型的来说明问题：

对Aurora发射而言，如下截取一栏，数据速率为0.622-1.075，如果并行数据为2字节，则经过8B/10B编码后的数据比特数为20bit，据此可推算并行数据的频率为31.1MHz至53.75MHz，一个简单的乘除法，没有问题吧。

在举一个没有编码的通信协议OC-12，如下图，如果并行数据位宽为2，即16bit，数据速率为0.622Gbps，则并行数据速率为38.88。

以上足以说明此关系，其他请自行验证。

RocketIO MGT的配置方式

配置RocketIO收发器有两种方法：

静态配置。在设计时使用端口绑定和属性设置的组合配置收发器，以支持特定协议。
动态配置。通过驱动端口和操作动态重配置端口（DRP）来配置收发器，以修改MGT的运行时配置。

RocketIO MGT原语的端口

RocketIO MGT原语包含105个端口。差分串行数据端口（RXN，RXP，TXN和TXP）直接连接到外部焊盘。其余101个端口均可从FPGA逻辑访问。

配置端口的详细信息可见数据手册：UG076，这里不全部给出，仅仅挑出感兴趣的几个作为示例：例如有关时钟状态的端口（PMA端口）：

RXLOCK：输出端口，设置为逻辑1时，表示接收器已锁定到参考时钟或已锁定到输入数据。逻辑0表示接收器未锁定。可能的原因包括没有参考时钟，不正确的参考时钟频率，不正确的属性配置，未施加PMA电源或接收器无法锁定数据，并且正在重新锁定本地参考时钟。切换RXLOCK信号表示成功“粗略”锁定到本地参考时钟，但未成功锁定输入数据。
RXRECCLK1 ：输出端口，从输入数据中恢复时钟；
RXRECCLK2 ：输出端口，从输入数据中恢复时钟。不应用于为用户逻辑；而是使用RXRECCLK1。
TXLOCK：当设置为逻辑1时，表示发送器PLL被锁定到参考时钟。在锁定获取期间，此输出在逻辑0和逻辑1之间循环。当输出保持逻辑1状态时，发送器PLL被锁定。无法获取或保持锁定可能是由于没有参考时钟，参考时钟频率不正确，属性配置错误或未施加PMA电源引起的。
TXOUTCLK1：基于发送器参考时钟从PLL导出的发送器输出时钟。
TXOUTCLK2：从PCS中的PCS TXCLK域发送输出时钟。时钟源取决于PCS时钟配置。

如有关8B/10B编解码的端口（PCS端口）：

RXCHARISK：输出端口，位宽为8，如果启用了8B/10B解码，断言则表示接收到的数据是一个 "K "字符。
TXCHARISK：如果TXENC8B10BUSE=1（8B/10B编码器使能），TXCHARISK[7:0]在相应的字节通道中发出TXDATA字节的K定义信号。

接收发送数据相关端口：

RXDATA：输出端口，64位，在FPGA用户结构上接收数据。 RXDATA [7：0]始终是接收到的第一个字节。
RXDATAWIDTH：输入端口，2位，指示FPGA并行总线的宽度。
TXDATA：从FPGA用户结构发送8字节宽的数据。 TXDATA [7：0]始终是发送的第一个字节。
TXDATAWIDTH：指示FPGA并行总线的宽度。

与状态时钟相关的端口：

RXUSRCLK：输入端口，用于读取RX环形缓冲区的时钟。它还向收发器提供时钟CHBONDI和CHBONDO的时钟。通常，与TXUSRCLK相同。
RXUSRCLK2：输入端口，时钟输出为收发器和FPGA核之间的接收数据和状态提供时钟。通常，与TXUSRCLK2相同。
TXUSRCLK：与参考时钟同频的时钟输入。该时钟用于写入TX缓冲区，必须与参考时钟锁频。
TXUSRCLK2：时钟输入，为FPGA核与收发器之间的发送数据和状态提供时钟。通常与RXUSRCLK2相同。
GREFCLK：参考时钟（不建议在1G以上运行时使用备用时钟）。
REFCLK1：参考时钟（低抖动输入时钟）。
REFCLK2：参考时钟（低抖动输入时钟）。

动态重配置端口：

DADDR：输入端口，8位，动态重配置端口地址总线。
DCLK：输入，动态重配置端口总线时钟。
DEN：输入，设置为逻辑1.时动态重新配置端口总线启用。
DI：输入，动态重配置端口输入数据总线。
DO：输出，动态重配置端口输出数据总线。
DRDY：输出，表示动态重新配置端口输出数据提高到逻辑1时有效。
DWE：输入，设置为逻辑1时动态重配置端口写使能。

以上部分是针对MGT原语端口的部分介绍，更具体的有CRC端口，PMA端口，PCS端口，全局信号端口以及动态重配置端口，通信端口等。

前面说了，MGT原语拥有101个可访问端口，如此之多，定要从数据手册获得关键信息，用多少熟悉多少，暂时未用也可浏览以熟悉，如此可掌握。下面是UG076提供的表格部分举例，各位有兴趣的可前往数据手册了解详情：

RocketIO MGT原语的属性

要完成对MGT原语的配置，光靠端口是不够的，还要有属性的配置。

属性是用于配置MGT的控制参数。收发器属性也是对收发器的控制，用于调节数据宽度和编码规则，但它们是通过调用原语以 "软 "形式配置成组的控件。

MGT还包含默认情况下设置为特定值的属性。包括通道绑定设置和时钟校正序列。下面手动介绍部分属性，具体属性的内容还请查看UG076进一步了解。

例如CRC属性：

RXCRCINITV AL：设置接收器CRC初始值。必须为每个使用32位CRC的协议定义以下内容：

RXCRCENABLE：使能RX CRC块。 FALSE：RX CRC禁用。 TRUE：RX CRC使能。
TXCRCENABLE：使能TX CRC块。 FALSE：TX CRC禁用。 TRUE：TX CRC使能。

例如PMA属性：

RXPMACLKSEL：REFCLK1，REFCLK2，GREFCLK。选择接收PLL的参考时钟输入。 REFCLK1：选择REFCLK1输入（DRP值00）。 REFCLK2：选择REFCLK2输入（DRP值01）。 GREFCLK：选择GREFCLK输入（DRP值10）。
TXABPMACLKSEL：REFCLK1，REFCLK2，GREFCLK。选择共享Tile发送PLL的参考时钟输入。 REFCLK1：选择REFCLK1输入（DRP值00）。 REFCLK2：选择REFCLK2输入（DRP值01）。 GREFCLK：选择GREFCLK输入（DRP值10）。
TXPHASESEL ：FALSE：选择GREFCLK作为同步时钟TRUE：选择PCS TXCLK作为同步时钟

例如PCS属性：

CHAN_BOND_SEQ_LEN：整数（1、2、3、4、8）定义通道绑定序列的字节长度。这定义了收发器匹配以检测信道绑定机会的序列的长度。
CLK_CORRECT_USE：FALSE：永久禁用时钟校正（速率匹配）的执行。在这种情况下，时钟RXUSRCLK必须与RXRECCLK1 / RXRECCLK2锁频。 TRUE：启用时钟校正（正常模式）。

RocketIO MGT数字接收器属性