FPGA高速收发器的GTX发送端解析

每一个收发器拥有一个独立的发送端，发送端有PMA（Physical Media Attachment，物理媒介适配层）和PCS（PhysicalCoding Sublayer，物理编码子层）组成，其中PMA子层包含高速串并转换(Serdes)、预/后加重、接收均衡、时钟发生器及时钟恢复等电路。PCS子层包含8B/10B编解码、缓冲区、通道绑定和时钟修正等电路。对于GTX的发送端来说，结构如图1所示。

图1

FPGA内部并行数据通过FPGATX Interface进入TX发送端，然后经过PCS和PMA子层的各个功能电路处理之后，最终从TX驱动器中以高速串行数据输出，下面将介绍各个功能电路。

FPGA TX Interface用户接口：TX Interface是用户数据发往GTX的接口，该接口的信号如表1所示。

表1

发送数据接口是TXDATA，采样时钟是TXUSRCLK2，在TXUSRCLK2的上升沿对TXDATA进行采样。TXUSRCLK2的速率由线速率、TX Interface接口位宽和8B/10B是否使能决定（TXUSRCLK2频率= 线速率/  TX_DATA_WIDTH ；比如线速率是10Gb/s，TX_DATA_WHDTH等于80，那么TXUSRCLK2的频率是125MHz）。TXDATA的位宽可以配置成16/20/32/40/64/80位宽，通过TX_DATA_WIDTH 、TX_INT_DATAWIDTH、TX8B10BEN三个属性设置可以配置成不同的位宽，具体属性如表2所示。

表2

GTX的TX Interface分成内部数据位宽和FPGA接口位宽，其中内部数据归属于TXUSRCLK时钟域，FPGA接口数据归属于TXUSRCLK2时钟域，而内部数据位宽支持2byte/4byte，FPGA接口数据位宽支持2byte/4byte/8byte，因此，决定了TXUSRCLK和TXUSRCLK2有一定的时钟倍数关系，TXUSRCLK和TXUSRCLK2的时钟倍数关系如表3所示，其中TX_INT_DATAWIDTH属性设置为“0”，表示内部数据位宽为2byte，如果设置为“1”，则表示内部数据位宽为4byte（线速率大于6.6Gb/s的时候应当置“1”）。

表3

TXUSRLK和TXUSRCLK2时钟是相关联的，在时钟这两个时钟时应该遵循下面两个准则：

1. TXUSRCLK和TXUSRCLK2必须是上升沿对齐的，偏差越小越好，因此应该使用BUFGs或者BUFRs来驱动这两个时钟（因为TX Interface和PCS子层之间没有相位校正电路或者FIFO，所以需要严格对齐，本人自己的理解）。

2. 即使TXUSRCLK、TXUSRCLK2和GTX的参考时钟运行在不同的时钟频率，必须保证三者必须使用同源时钟。

发送端的时钟结构：为了能够更好的理解GTX的发送端如何工作，理解发送端的时钟结构很有必要，图2是发送端的时钟结构图。

图2

其中红框部分和黄底部分的内容是我们需要重点了解的地方，图中的MGTREFCLK是上一篇中提到的GTX的参考时钟，经过一个IBUFDS_GTE2源语之后进入GTX，用以驱动CPLL或者QPLL。对于TX PMA来说，主要实现的功能是并串转换，其并串转换的时钟可以由CPLL提供，也可以由QPLL提供，由TXSYSCLKSEL选择，TX PMA子层里面有三个红色方框部分是串行和并行时钟分频器，作用是产生并行数据的驱动时钟，其中D分频器主要用于将PLL的输出分频，以支持更低的线速率。

÷2/÷4这个选项由TX_INT_DATAWIDTH决定，如果TX_INT_DATAWIDTH为“0”，则选择÷2，反之选择÷4。

对于÷4/÷5，则由TX_DATA_WIDTH决定，如果是位宽是16/32/64，则选择÷4，如果位宽是20/40/80，则选择÷5。

对于TXUSRCLK和TXUSRCLK2由谁驱动呢，官方推荐使用TXOUTCLK驱动，这样做能精简设计，同时稳定，如何使用TXOUTCLK来做TXUSRCLK和TXUSRCLK2的驱动时钟呢，根据TXUSRCLK和TXUSRCLK2的频率关系，以一个Lane为例，图3表示TXUSRCLK=TXUSRCLK2的驱动方式，图4表示TXUSRCLK = 2*TXUSRCLK2的驱动方式。

图3 图4

对于图4，CLKOUT0的值为CLKOUT1的2倍。

TX 8B/10B Encoder：高速收发器的发送端一般都带有8b/10b编码器。目的是保证数据有足够的切换提供给时钟恢复电路，编码器还提供一种将数据对齐到字的方法，同时线路可以保持良好的直流平衡。在GTX应用中，如果发送的是D码，则需要将TXCHARISK拉低，如果是K码，则将相应的TXCHARISK拉高。

TX Buffer：了解发送的TXBuffer的作用，首先得搞清楚TX发送端的时钟域，TX发送端的时钟域如图5所示。

图5

图5中红色方框就是TXBuffer，我们都知道FIFO具有隔离时钟域的功能，在这里也不例外，我们从图中可以知道，TX Buffer连接着两个不同的时钟域XCLK和TXUSRCLK，在发送端的PCS子层内部包含两个时钟域，XCLK（PMA并行时钟域）TXUSRCLK时钟域，为了数据发送的稳定，XCLK和TXUSRCLK必须是速率匹配，相位差可以消除的，TX Buffer主要用于匹配两时钟域的速率和消除两时钟域之间的相位差。

TX Buffer也可以被旁路，TX发送端提供了一个相位对齐电路，可以解决XCLK和TXUSRCLK时钟域之间的相位差，但是TX_XCLK_SEL需设置为“TXUSR”来保持XCLK时钟域和TXUSRCLK保持同频。

TX Pattern Generator：GTX拥有伪随机数列产生电路，伪随机数列是之中看似随机，但是是有规律的周期性二进制数列，有良好的随机性和接近白噪声的相关函数，所以伪随机数列可以用来做误码率测量、时延测量、噪声发生器、通信加密和扩频通信等等领域，在GTX中可以用来测试高速串行通道传输的误码率，图6是GTX的PRBS生成电路。

图6

可以使能或者旁路这个PRBS生成电路，如果旁路的话TXDATA会传输到发送端的PMA。一般使用PRBS模式测试模型如图7所示。

图7

TX Polarity Control：TX发送端支持对TX发送的数据进行极性控制，从PCS子层输出的编码数据在进入PISO串行化之前进行极性翻转，这部分功能主要是用来弥补PCB的设计错误，如果PCB设计时不慎将TXP和TXN交叉连接的话，可以通过设置TXPOLARITY为“1”来翻转信号的极性，。

编辑：hfy