Aurora8B10B IP使用 - 收发测试应用示例
前言本文首先介绍了根据网上博文简单介绍了8B/10B的原理，并根据Aurora IP的相关使用方法，参考IP手册进行设计递增数测试用例，并下板进行实际验证。
8B/10B简介
8B/10B，也叫做8比特/10比特或8b10b。8b/10b方式最初由IBM公司于1983年发明并应用于ESCON(200M互连系统），由Al Widmer和Peter Franaszek在IBM的刊物“研究与开发”上描述。
8b/10b编码的特性之一是保证DC 平衡，采用8b/10b编码方式，可使得发送的“0”、“1”数量保持基本一致，连续的“1”或“0”不超过5位，即每5个连续的“1”或“0”后必须插入一位“0”或“1”，从而保证信号DC平衡，它就是说，在链路超时时不致发生DC失调。通过8b/10b编码，可以保证传输的数据串在接收端能够被正确复原，除此之外，利用一些特殊的代码( 在PCI-Express总线中为K码) ，可以帮助接收端进行还原的工作，并且可以在早期发现数据位的传输错误，抑制错误继续发生。
8b/10b编码是将一组连续的8位数据分解成两组数据，一组3位，一组5位，经过编码后分别成为一组4位的代码和一组6位的代码，从而组成一组10位的数据发送出去。相反，解码是将1组10位的输入数据经过变换得到8位数据位。数据值可以统一的表示为DX.Y或KX.Y，其中D表示为数据代码，K表示为特殊的命令代码，X表示输入的原始数据的低5位EDCBA，Y 表示输入的原始数据的高3位HGF。
8b/10b编码是目前许多高速串行总线采用的编码机制，如 USB3.0、1394b、Serial ATA、PCI Express、Infini-band、Fibre Channel(光纤通道)、RapidIO等总线或网络等。
工作原理
8B/10B编码是目前高速串行通信中经常用到的一种编码方式。将8bit编码成10bit后，10B中0和1的位数只可能出现3种情况：
有5个0和5个1
有6个0和4个1
有4个0和6个1
这样引出了一个新术语“不均等性（Disparity）”，就是1的位数和0的位数的差值，根据上面3种情况就有对应的3个Disparity 0、-2、+2。8bit原始数据会分成两部分，其低5位会进行5B/6B编码，高3位则进行3B/4B编码，这两种映射关系在当时已经成为了一个标准化的表格。人们喜欢把8bit数据表示成Dx.y的形式，其x=5LSB(least significant bit最低有效位)，y=3MSB(most significant bit最高有效位)。
例如一个8bit数据101 10101，x=10101(21) y="101"(5)，现在我们就把这8bit数据写成D21.5。
对于8bit数据，它在表中的位序为HGFEDCBA，即H为最高位，A为最低位，EDCBA经过5B/6B编码为abcdei，HGF经过3B/4B编码为fghj。传送10bit编码的顺序为abcdeifghj。
创建工程
新建一个空白工程，这里我选择的芯片型号为xc7k160tffg676-2，米联客MK7160FA。
配置Aurora IP
创建完工程，将Aurora IP添加到工程下，并修改相关配置。lane宽度设置为4，接口则生成32位宽的数据，若选择2，则生成16位宽的数据。
由于只是进行传输测试，所以该界面的相关参数就根据板卡的相关时钟进行配置即可，Link层选择帧模式，其余默认即可。
米联客的板卡在MGT的116对外引出，所以这里对应连接到GTXQ1上。
共享逻辑选择包含在内核中，并使能初始化时钟的单端口时钟选项，Aurora IP配置完成。
程序架构设计
参考例程的思路，这里设计了Aurora发送递增数的测试示例，主要包含四个模块，复位模块，Aurora发送数据生成模块，Aurora接收数据模块，Aurora IP。
复位模块主要用于对reset和gt_reset两个信号进行初始化复位，确保Aurora IP能正常工作。
Aurora发送数据生成模块，根据AXI总线协议进行生成递增测试数据，然后通过Aurora IP将数据通过光口传输。
Aurora接收数据模块，根据AXI总线协议接收数据，并通过接收计数信号进行比对递增数传输是否存在错误，用于错误指示。
复位模块
复位模块使用start_en作为复位的指示信号，当检测到start_en的上升沿时，模块对系统复位信号和收发器的复位信号进行复位。reset和gt_reset根据手册中推荐的复位时序进行复位。在该文中有详细介绍， HYPERLINK "https://blog.csdn.net/weixin_41445387/article/details/125182703?spm=1001.2014.3001.5501" \h 。
`timescale 1ns / 1ps
module rst_ctrl(
input wire clk ,
input wire start_en ,
output wire reset ,// 系统复位
output wire gt_reset // 收发器复位
);
//parameter define
parameter GT_RESET_START = 128;
parameter GT_RESET_END = 384 ;
parameter RESET_MAX = GT_RESET_END + GT_RESET_START;
//reg define
reg reset_r ;
reg gt_reset_r ;
reg reset_busy =0;//复位忙指示信号
reg start_flag_dly =0;//复位使能信号延时
reg cnt_rst =0;//用于产生复位信号的计数器
//wire define
assign reset = reset_r ;
assign gt_reset = gt_reset_r;
//起始信号边沿
wire link_up_n = !start_flag_dly&&start_flag_dly;
//start_flag_dly
always @(posedge clk) begin
start_flag_dly <= {start_flag_dly, start_en};
end
//复位忙指示信号
always @(posedge clk) begin
if(link_up_n==1) begin
reset_busy <= 1;
end
else if(cnt_rst== RESET_MAX - 1)begin
reset_busy <= 0;
end
end
//复位计数器
always @(posedge clk) begin
if (reset_busy == 'd1) begin
if(reset_busy == 'd1 && (cnt_rst == RESET_MAX - 1))
cnt_rst <= 'd0;
else
cnt_rst <= cnt_rst + 1'b1;
end
else begin
cnt_rst <= 'd0;
end
end
//gt_reset
always @(posedge clk) begin
if (reset_busy == 'd1) begin
if(cnt_rst == GT_RESET_START - 1) begin
gt_reset_r <= 1'b1;
end
else if (cnt_rst == GT_RESET_END - 1|| cnt_rst == 0 ) begin
gt_reset_r <= 1'b0;
end
else begin
gt_reset_r <= gt_reset_r;
end
end
else begin
gt_reset_r <= 1'b0;
end
end
//reset
always @(posedge clk) begin
if (reset_busy == 'd1) begin
reset_r <= 1'b1;
end
else begin
reset_r <= 1'b0;
end
end
endmodule
发送模块
发送部分就是简单的模拟AXI总线协议进行发送，这里指定了几个参数，方便后期移植修改，同时又例化了一个ILA IP用于检测上板时数据正确性。
`timescale 1ns / 1ps
module Aurora_Tx #(
parameter DATA_WIDTH = 32, // DATA bus width
parameter TKEEP_WIDTH = DATA_WIDTH/8, // TKEEPwidth
parameter STREAM_LEN = 1024 ,
parameter REG_MAX_BURST = 15
)
(
input wire clk ,
input wire rst ,
output wire s_axi_tx_tdata ,
output wire s_axi_tx_tkeep ,
output wire s_axi_tx_tlast ,
output wire s_axi_tx_tvalid ,
input wire s_axi_tx_tready
);
//reg define
reg axi_tx_tdata ;
reg axi_tx_tlast ;
reg axi_tx_tvalid ;
reg cnt_data ;
//wire define
wire cnt_data_tlast ;
assign s_axi_tx_tdata = axi_tx_tdata;
assign s_axi_tx_tkeep = 4'hF ;
assign s_axi_tx_tlast = axi_tx_tlast;
assign s_axi_tx_tvalid = axi_tx_tvalid;
assign cnt_data_tlast = (s_axi_tx_tready==1) && (axi_tx_tvalid==1) && (cnt_data == STREAM_LEN - 1);
//cnt_data
always @(posedge clk) begin
if(rst==1)begin
cnt_data <= 'd0;
end
else if ((s_axi_tx_tready==1) && (axi_tx_tvalid==1)) begin
if(cnt_data_tlast==1)
cnt_data <= 'd0;
else
cnt_data <= cnt_data + 1'b1;
end
end
//axi_tx_tlast
always @(*) begin
axi_tx_tlast = cnt_data_tlast;
end
//axi_tx_tvalid
always @(posedge clk) begin
if(rst==1)begin
axi_tx_tvalid <= 1'b0;
end
else if (cnt_data_tlast == 1'b1) begin
axi_tx_tvalid <= 1'b0;
end
else if (axi_tx_tvalid == 1'b0 && s_axi_tx_tready == 1'b1) begin
axi_tx_tvalid <= 1'b1;
end
end
//axi_tx_tdata
always @(*) begin
axi_tx_tdata = cnt_data;
end
wire probe0;
assign probe0 = {
s_axi_tx_tdata ,//32
s_axi_tx_tkeep ,//4
s_axi_tx_tlast ,//1
s_axi_tx_tvalid ,//1
s_axi_tx_tready ,//1
cnt_data //16
};
ila_0 u_tx (
.clk(clk), // input wire clk
.probe0(probe0) // input wire probe0
);
endmodule
接收模块
接收部分就是简单的模拟AXI总线协议接收数据，这里也指定了几个参数，方便后期移植修改，同时又例化了一个ILA IP用于检测上板时数据正确性。
module Aurora_Rx #(
parameter DATA_WIDTH = 32, // DATA bus width
parameter TKEEP_WIDTH = DATA_WIDTH/8, // TKEEPwidth
parameter STREAM_LEN = 1024 ,
parameter REG_MAX_BURST = 15
)(
input wire clk ,
input wire rst ,
input wire m_axi_rx_tdata ,
input wire m_axi_rx_tkeep ,
input wire m_axi_rx_tlast ,
input wire m_axi_rx_tvalid
);
//reg define
reg cnt_burst ;
reg error_r ;
always @(posedge clk) begin
if(rst==1)begin
cnt_burst <= 'd0;
end
else if (m_axi_rx_tvalid == 1) begin
if(m_axi_rx_tvalid == 1 && cnt_burst == STREAM_LEN - 1)
cnt_burst <= 'd0;
else
cnt_burst <= cnt_burst + 1'b1;
end
end
//check
always @(posedge clk) begin
if(rst==1)begin
error_r <= 'd0;
end
else if (m_axi_rx_tvalid==1 && (m_axi_rx_tdata != cnt_burst)) begin
error_r <= 1'b1;
end
end
wire probe0;
assign probe0 = {
m_axi_rx_tdata ,
m_axi_rx_tkeep ,
m_axi_rx_tlast ,
m_axi_rx_tvalid ,
error_r ,
cnt_burst
};
ila_0 u_rx (
.clk(clk), // input wire clk
.probe0(probe0) // input wire probe0
);
endmodule
顶层连接
根据前面绘制的框图连接上述各个模块，例化了一个VIO IP进行检测和控制复位。
`timescale 1ns / 1ps
module Aurora_Top(
//clock---------------------------------
input clk_in, //系统钟
input gt_refclk116_p , //差分参考钟
input gt_refclk116_n , //差分参考钟
//Serial I/O----------------------------
inputrxp ,
inputrxn ,
output txp ,
output txn ,
//--------------------------------------
output tx_dis,
outputled_link_up
);
//==========================================
//wire define
wire start;
//------------------------------SEND--------------------------------------------
// AXI TX Interface
wire s_axi_tx_tdata;
wire s_axi_tx_tkeep;
wire s_axi_tx_tlast;
wire s_axi_tx_tvalid ;
wire s_axi_tx_tready ;
//------------------------------RECEIVE-----------------------------------------
// AXI RX Interface
wire m_axi_rx_tdata;
wire m_axi_rx_tkeep;
wire m_axi_rx_tlast;
wire m_axi_rx_tvalid ;
//------------------------------SYSTEM------------------------------------------
// reset IO,test
wire reset;
wire gt_reset;
wire loopback;
//------------------------------clock-------------------------------------------
// GT Reference Clock Interface
wire gt_refclk1_p;
wire gt_refclk1_n;
wire init_clk_in ;
wire user_clk_out;
wire sync_clk_out;
wire gt_refclk1_out;
//--------------------------------drp-------------------------------------------
//drp Interface
wire drpclk_in ;
//-----------------------------Status Detection--------------------------------
// Error Detection Interface
wire hard_err ;
wire soft_err ;
wire frame_err;
// Status link
wire channel_up;
wire lane_up;
wire sys_reset_out;
//==========================================
//wire assign
assign tx_dis = 0;
assign gt_refclk116_p =gt_refclk1_p;
assign gt_refclk116_n =gt_refclk1_n;
assign led_link_up = channel_up & lane_up;
assign init_clk_in = clk_in;
assign drpclk_in = clk_in;
wire sys_rst = ~(channel_up & lane_up & (~sys_reset_out));
rst_ctrl u_rst_ctrl(
.clk ( init_clk_in ),
.start_en ( start ),
.reset ( reset ),
.gt_reset ( gt_reset )
);
Aurora_Tx u_Aurora_Tx(
.clk ( user_clk_out ),
.rst ( start ),
.s_axi_tx_tdata ( s_axi_tx_tdata ),
.s_axi_tx_tkeep ( s_axi_tx_tkeep ),
.s_axi_tx_tlast ( s_axi_tx_tlast ),
.s_axi_tx_tvalid( s_axi_tx_tvalid),
.s_axi_tx_tready( s_axi_tx_tready)
);
Aurora_Rx u_Aurora_Rx(
.clk ( user_clk_out ),
.rst ( start ),
.m_axi_rx_tdata ( m_axi_rx_tdata ),
.m_axi_rx_tkeep ( m_axi_rx_tkeep ),
.m_axi_rx_tlast ( m_axi_rx_tlast ),
.m_axi_rx_tvalid( m_axi_rx_tvalid)
);
aurora_8b10b_0 u_aurora(
//------------------------------SEND--------------------------------------------
// AXI TX Interface
.s_axi_tx_tdata (s_axi_tx_tdata ), // input wire s_axi_tx_tdata
.s_axi_tx_tkeep (s_axi_tx_tkeep ), // input wire s_axi_tx_tkeep
.s_axi_tx_tlast (s_axi_tx_tlast ), // input wire s_axi_tx_tlast
.s_axi_tx_tvalid(s_axi_tx_tvalid), // input wire s_axi_tx_tvalid
.s_axi_tx_tready(s_axi_tx_tready), // output wire s_axi_tx_tready
//------------------------------RECEIVE-----------------------------------------
// AXI RX Interface
.m_axi_rx_tdata (m_axi_rx_tdata ), // output wire m_axi_rx_tdata
.m_axi_rx_tkeep (m_axi_rx_tkeep ), // output wire m_axi_rx_tkeep
.m_axi_rx_tlast (m_axi_rx_tlast ), // output wire m_axi_rx_tlast
.m_axi_rx_tvalid(m_axi_rx_tvalid), // output wire m_axi_rx_tvalid
//------------------------------SYSTEM------------------------------------------
// reset IO,test
.reset(reset), // input wire reset
.gt_reset(gt_reset), // input wire gt_reset
.loopback(loopback), // input wire loopback
//--------------------------------Serial I/O------------------------------------
.txp(txp), // output wire txp
.txn(txn), // output wire txn
.rxp(rxp), // input wire rxp
.rxn(rxn), // input wire rxn
//------------------------------clock-------------------------------------------
// GT Reference Clock Interface
.gt_refclk1_p(gt_refclk1_p), // input wire gt_refclk1_p
.gt_refclk1_n(gt_refclk1_n), // input wire gt_refclk1_n
.init_clk_in(init_clk_in), // input wire init_clk_in
//--------------------------------drp-------------------------------------------
//drp Interface
.drpclk_in(drpclk_in), // input wire drpclk_in
.drpaddr_in(0), // input wire drpaddr_in
.drpen_in(0), // input wire drpen_in
.drpdi_in(0), // input wire drpdi_in
.drprdy_out(), // output wire drprdy_out
.drpdo_out(), // output wire drpdo_out
.drpwe_in(0), // input wire drpwe_in
//-----------------------------Status Detection--------------------------------
// Error Detection Interface
.hard_err (hard_err ), // output wire hard_err
.soft_err (soft_err ), // output wire soft_err
.frame_err(frame_err), // output wire frame_err
// Status
.power_down(0), // input wire power_down
.channel_up(channel_up), // output wire channel_up
.lane_up(lane_up), // output wire lane_up
//-----------------------------------------------------------------------------
//-----------------------------------------------------------------------------
.tx_lock(tx_lock), // output wire tx_lock
.tx_resetdone_out(tx_resetdone_out), // output wire tx_resetdone_out
.rx_resetdone_out(rx_resetdone_out), // output wire rx_resetdone_out
.pll_not_locked_out(pll_not_locked_out), // output wire pll_not_locked_out
//reset_out
.gt_reset_out(gt_reset_out), // output wire gt_reset_out
.link_reset_out(link_reset_out), // output wire link_reset_out
.sys_reset_out(sys_reset_out), // output wire sys_reset_out
//clk_out
.user_clk_out(user_clk_out), // output wire user_clk_out
.sync_clk_out(), // output wire sync_clk_out
.gt_refclk1_out(), // output wire gt_refclk1_out
//qplllock_out
.gt0_qplllock_out(), // output wire gt0_qplllock_out
.gt0_qpllrefclklost_out(), // output wire gt0_qpllrefclklost_out
.gt_qpllclk_quad2_out(), // output wire gt_qpllclk_quad2_out
.gt_qpllrefclk_quad2_out() // output wire gt_qpllrefclk_quad2_out
);
vio_0 Status_dect (
.clk(user_clk_out), // input wire clk
.probe_in0(hard_err), // input wire probe_in0
.probe_in1(soft_err), // input wire probe_in1
.probe_in2(frame_err), // input wire probe_in2
.probe_in3(channel_up), // input wire probe_in3
.probe_in4(lane_up), // input wire probe_in4
.probe_out0(loopback),// output wire probe_out0
.probe_out1(start)// output wire probe_out1
);
endmodule下板测试
设置loopback的默认值为0，或者不为0的先设置为0，然后设置为0 ，然后设置模式为近端回环测试，1或2都可。则可以看到channel_up和lane_up都拉高，连接建立。start信号拉高复位，然后置零可去发送接收的窗口观察信号收发是否正确。
发送部分的ILA窗口抓取到数据正常发送，同时满足AXI的协议。
接收部分的ILA窗口抓取到数据正常接收，同时满足AXI的协议，error指示信号常为低，证明数据传输正常，链路稳定。
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