FPGA GTP全网最细讲解，aurora 8b/10b协议，HDMI视频传输，提供4套工程源码和技术支持

1、前言

没玩过GT资源都不好意思说自己玩儿过FPGA，这是CSDN某大佬说过的一句话，鄙人深信不疑。。。
GT资源是Xilinx系列FPGA的重要卖点，也是做高速接口的基础，不管是PCIE、SATA、MAC等，都需要用到GT资源来做数据高速串化和解串处理，Xilinx不同的FPGA系列拥有不同的GT资源类型，低端的A7由GTP，K7有GTX，V7有GTH，更高端的U+系列还有GTY等，他们的速度越来越高，应用场景也越来越高端。。。

本文使用Xilinx的Artix7 FPGA的GTP资源做视频传输实验，视频源使用笔记本电脑输出模拟HDMI视频输入，调用GTP IP核，用verilog编写视频数据的编解码模块和数据对齐模块，使用开发板硬件上的1个或2个SFP光口实现数据的收发；本博客提供4套vivado工程源码，4套工程的不同点在于使用1个SFP光口做收发还是两个2个SFP光口做收发，在此基础上，又分HDMI采集芯片的不同，一个是ADV7611作为HDMI采集芯片，HDMI输出则采用纯verilog代码的发送模块完成，另一个是silicon9011作为HDMI采集芯片，silicon9134作为HDMI编码芯片输出HDMI视频；本博客详细描述了FPGA GTP 视频传输的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；
提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；
工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、我这里已有的 GT 高速接口解决方案

我的主页有FPGA GT 高速接口专栏，该专栏有 GTP 、 GTX 、 GTH 、 GTY 等GT 资源的视频传输例程和PCIE传输例程，其中 GTP基于A7系列FPGA开发板搭建，GTX基于K7或者ZYNQ系列FPGA开发板搭建，GTH基于KU或者V7系列FPGA开发板搭建，GTY基于KU+系列FPGA开发板搭建；以下是专栏地址：
点击直接前往

3、GTP 全网最细解读

关于GTP介绍最详细的肯定是Xilinx官方的《ug482_7Series_GTP_Transceivers》，我们以此来解读：
《ug482_7Series_GTP_Transceivers》的PDF文档我已放在了资料包里，文章末尾有获取方式；
我用到的开发板FPGA型号为Xilinx Artix7 xc7a35tfgg484-2；带有4路GTP资源，每通道的收发速度为 500 Mb/s 到 6.6 Gb/s 之间。GTP 收发器支持不同的串行传输接口或协议，比如 PCIE 1.1/2.0 接口、万兆网 XUAI 接口、OC-48、串行 RapidIO 接口、 SATA(Serial ATA) 接口、数字分量串行接口(SDI)等等；

GTP 基本结构

Xilinx 以 Quad 来对串行高速收发器进行分组，四个串行高速收发器和一个 COMMOM（QPLL）组成一个 Quad，每一个串行高速收发器称为一个 Channel(通道），下图为四路 GTP 收发器在Artix-7 FPGA 芯片中的示意图：《ug482_7Series_GTP_Transceivers》第13页；

GTP 的具体内部逻辑框图如下所示，它由四个收发器通道 GTPE2_CHANNEL原语 和一个GTPE2_COMMON 原语 组成。每路 GTPE2_CHANNEL 包含发送电路 TX 和接收电路 RX；《ug482_7Series_GTP_Transceivers》第14页；

每个 GTPE2_CHANNEL 的逻辑电路如下图所示：《ug482_7Series_GTP_Transceivers》第15页；

GTPE2_CHANNEL 的发送端和接收端功能是独立的，均由 PMA(Physical Media Attachment，物理媒介适配层)和 PCS(Physical Coding Sublayer，物理编码子层)两个子层组成。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。
这里说多了意义不大，因为没有做过几个大的项目是不会理解这里面的东西的，对于初次使用或者想快速使用者而言，更多的精力应该关注IP核的调用和使用，后面我也会重点将到IP核的调用和使用；

GTP 发送和接收处理流程

首先用户逻辑数据经过 8B/10B 编码后，进入一个发送缓存区（Phase Adjust FIFO），该缓冲区主要是 PMA 子层和 PCS 子层两个时钟域的时钟隔离，解决两者时钟速率匹配和相位差异的问题，最后经过高速 Serdes 进行并串转换(PISO)，有必要的话，可以进行预加重(TX Pre-emphasis)、后加重。值得一提的是，如果在 PCB 设计时不慎将 TXP 和 TXN 差分引脚交叉连接，则可以通过极性控制(Polarity)来弥补这个设计错误。接收端和发送端过程相反，相似点较多，这里就不赘述了，需要注意的是 RX 接收端的弹性缓冲区，其具有时钟纠正和通道绑定功能。这里的每一个功能点都可以写一篇论文甚至是一本书，所以这里只需要知道个概念即可，在具体的项目中回具体用到，还是那句话：对于初次使用或者想快速使用者而言，更多的精力应该关注IP核的调用和使用。

GTP 的参考时钟

GTP 模块有两个差分参考时钟输入管脚(MGTREFCLK0P/N 和 MGTREFCLK1P/N），作为 GTP模块的参考时钟源，用户可以自行选择。一般的A7系列开发板上，都有一路 125Mhz 的 GTP 参考时钟连接到 MGTREFCLK0/1上，作为 GTP 的参考时钟。差分参考时钟通过IBUFDS 模块转换成单端时钟信号进入到 GTPE2_COMMOM 的 PLL0 和 PLL1 中，产生 TX 和 RX 电路中所需的时钟频率。TX 和 RX 收发器速度相同的话，TX 电路和 RX 电路可以使用同一个 PLL 产生的时钟，如果 TX 和 RX收发器速度不相同的话，需要使用不同的 PLL 时钟产生的时钟。参考时钟这里Xilinx给出的GT参考例程已经做得很好了，我们调用时其实不用修改；GTP 的参考时钟结构图如下：《ug482_7Series_GTP_Transceivers》第21页；

GTP 发送接口

《ug482_7Series_GTP_Transceivers》的第75到123页详细介绍了发送处理流程，其中大部分内容对于用户而言可以不去深究，因为手册讲的基本都是他自己的设计思想，留给用户可操作的接口并不多，基于此思路，我们重点讲讲GTP例化时留给用户的发送部分需要用到的接口；

用户只需要关心发送接口的时钟和数据即可，GTP例化模块的这部分接口如下：


在代码中我已为你们重新绑定并做到了模块的顶层，代码部分如下：

GTP 接收接口

《ug482_7Series_GTP_Transceivers》的第125到213页详细介绍了发送处理流程，其中大部分内容对于用户而言可以不去深究，因为手册讲的基本都是他自己的设计思想，留给用户可操作的接口并不多，基于此思路，我们重点讲讲GTP例化时留给用户的发送部分需要用到的接口；

用户只需要关心接收接口的时钟和数据即可，GTP例化模块的这部分接口如下：


在代码中我已为你们重新绑定并做到了模块的顶层，代码部分如下：

GTP IP核调用和使用

有别于网上其他博主的教程，我个人喜欢用如下图的共享逻辑：

这样选择的好处有两个，一是方便DRP变速，二是便于IP核的修改，修改完IP核后直接编译即可，不再需要打开example工程，再复制下面的一堆文件放到自己的工程什么的，玩儿个GTP需要那么复杂么？

这里对上图的标号做解释：
1：线速率，根据自己的项目需求来，GTP的范围是0.5到6.25G，由于我的项目是视频传输，所以在GTP的速率范围内均可，为了通用性，我在vivado工程中例化了5个GTP，速率分别为1G、2G、4G、5G；
2：参考时钟，这个得根据你的原理图来，可以是80M、125M、148.5M、156.25M等等，我的开发板是125M；
4：GTP组的绑定，这个很重要，他的绑定参考依据有两个，已是你的开发板原理图，而是官方的参考资料《ug482_7Series_GTP_Transceivers》，官方将GTP资源分成了4组，名字分别为X0Y0、X0Y1、X0Y2、X0Y3，由于GT资源是Xilinx系列FPGA的专用资源，占用专用的Bnak，所以引脚也是专用的，那么这些GTP组和引脚是怎么对应的呢？《ug482_7Series_GTP_Transceivers》的说明如下：红框内为的我的开发板原理图对应的FPGA引脚；
我的板子原理图如下：


选择外部数据位宽32bit的8b/10b编解码，如下：

下面这里讲的是K码检测：

这里选择K28.5，也就是所谓的COM码，十六进制为bc，他的作用很多，可以表示空闲乱序符号，也可以表示数据错位标志，这里用来标志数据错位，8b/10b协议对K码的定义如下：

下面讲的是时钟矫正，也就是对应GTP内部接收部分的弹性buffer；

这里有一个时钟频偏的概念，特别是收发双方时钟不同源时，这里设置的频偏为100ppm，规定每隔5000个数据包发送方发送一个4字节的序列，接收方的弹性buffer会根据这4字节的序列，以及数据在buffer中的位置来决定删除或者插入一个4字节的序列中的一个字节，目的是确保数据从发送端到接收端的稳定性，消除时钟频偏的影响；

4、设计思路框架

本博客提供2套vivado工程源码，2套工程的不同点在于使用1个SFP光口做收发还是两个2个SFP光口做收发；使用1个SFP光口做收发是用光纤连接SFP的RX和TX；使用2个SFP光口做收发是用光纤连接一个SFP的RX和另一个SFP的TX；设计思路框架分别如下：
DHMI视频输入ADV7611采集使用2个SFP光口框图如下：

DHMI视频输入ADV7611采集使用1个SFP光口框图如下：

DHMI视频输入silcom9011采集使用2个SFP光口框图如下：

DHMI视频输入silcom9011采集使用1个SFP光口框图如下：

HDMI输入视频配置及采集

工程1的HDMI输入解码采用ADV7611芯片完成；工程1的HDMI输入解码采用silicon9011芯片完成；二者都需要i2c配置才能使用，二者均由纯verilog代码实现的i2c配置模块完成；代码位置分别如下：
关于silicon9011芯片的配置，请参考我之前的博客，博客地址：点击直接前往

视频数据组包

由于视频需要在GTP中通过aurora 8b/10b协议收发，所以数据必须进行组包，以适应aurora 8b/10b协议标准；视频数据组包模块代码位置如下：

首先，我们将16bit的视频存入FIFO中，存满一行时就从FIFO读出送入GTP发送；在此之前，需要对一帧视频进行编号，也叫作指令，GTP组包时根据固定的指令进行数据发送，GTP解包时根据固定的指令恢复视频的场同步信号和视频有效信号；当一帧视频的场同步信号上升沿到来时，发送一帧视频开始指令 0，当一帧视频的场同步信号下降沿到来时，发送一帧视频开始指令 1，视频消隐期间发送无效数据 0 和无效数据 1，当视频有效信号到来时将每一行视频进行编号，先发送一行视频开始指令，在发送当前的视频行号，当一行视频发送完成后再发送一行视频结束指令，一帧视频发送完成后，先发送一帧视频结束指令 0，再发送一帧视频结束指令 1；至此，一帧视频则发送完成，这个模块不太好理解，所以我在代码里进行了详细的中文注释，需要注意的是，为了防止中文注释的乱序显示，请用notepad++编辑器打开代码；指令定义如下：

指令可以任意更改，但最低字节必须为bc；

GTP aurora 8b/10b

这个就是调用GTP做aurora 8b/10b协议的数据编解码，前面已经对GTP做了详细概述，这里不讲；代码位置如下：

需要注意的是，我一共调用了5个GTP，速率分别为1G、2G、4G、5G；代码中用一个参数选择速率，如下：

GTP_RATE=8’d1，GTP以1G线速率运行；
GTP_RATE=8’d2，GTP以2G线速率运行；
GTP_RATE=8’d4，GTP以4G线速率运行；
GTP_RATE=8’d5，GTP以5G线速率运行；
以我的测试来看，GTP以4G线速率运行时视频传输效果最佳；

数据对齐

由于GT资源的aurora 8b/10b数据收发天然有着数据错位的情况，所以需要对接受到的解码数据进行数据对齐处理，数据对齐模块代码位置如下：

我定义的 K 码控制字符格式为：XX_XX_XX_BC，所以用一个rx_ctrl 指示数据是否为 K 码 的 COM 符号；
rx_ctrl = 4’b0000 表示 4 字节的数据没有 COM 码；
rx_ctrl = 4’b0001 表示 4 字节的数据中[ 7: 0] 为 COM 码；
rx_ctrl = 4’b0010 表示 4 字节的数据中[15: 8] 为 COM 码；
rx_ctrl = 4’b0100 表示 4 字节的数据中[23:16] 为 COM 码；
rx_ctrl = 4’b1000 表示 4 字节的数据中[31:24] 为 COM 码；
基于此，当接收到有K码时就对数据进行对齐处理，也就是将数据打一拍，和新进来的数据进行错位组合，这是FPGA的基础操作，这里不再赘述；

视频数据解包

数据解包是数据组包的逆过程，代码位置如下：

GTP解包时根据固定的指令恢复视频的场同步信号和视频有效信号；这些信号是作为后面图像缓存的重要信号；
至此，数据进出GTP部分就已经讲完了，整个过程的框图我在代码中描述了，如下：

图像缓存

经常看我博客的老粉应该都知道，我做图像缓存的套路是FDMA，他的作用是将图像送入DDR中做3帧缓存再读出显示，目的是匹配输入输出的时钟差和提高输出视频质量，关于FDMA，请参考我之前的博客，博客地址：点击直接前往

HDMI 视频输出

工程1和工程2，视频从FDMA读出后，经过VGA时序模块和HDMI发送模块后输出显示器，代码位置如下：

VGA时序配置为1920X1080，HDMI发送模块采用verilog代码手写，可以用于FPGA的HDMI发送应用，关于这个模块，请参考我之前的博客，博客地址：点击直接前往

工程3和工程4的HDMI输出编码采用silicon9134芯片完成，silicon9134芯片需要i2c配置才能使用，关于silicon9134芯片的配置，请参考我之前的博客，博客地址：点击直接前往

5、vivado工程1–>ADV7611采集–>2路SFP传输

开发板FPGA型号：Xilinx–Artix7–xc7a35tfgg484-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：笔记本电脑输出模拟HDMI视频输入，分辨率1920x1080@60Hz，ADV7611解码；
输出：HDMI显示器；纯verilogHDMI发送模块；
应用：2路SFP光口GTP aurora 8b/10b编解码视频传输；
工程Block Design如下：

工程代码架构如下：

综合编译完成后的FPGA资源消耗和功耗预估如下：

6、vivado工程2–>ADV7611采集–>1路SFP传输

开发板FPGA型号：Xilinx–Artix7–xc7a35tfgg484-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：笔记本电脑输出模拟HDMI视频输入，分辨率1920x1080@60Hz，ADV7611解码；
输出：HDMI显示器；纯verilogHDMI发送模块；
应用：1路SFP光口GTP aurora 8b/10b编解码视频传输；
工程Block Design、工程代码架构、综合编译完成后的FPGA资源消耗和功耗预估同第5章节；

7、vivado工程3–>silicon9011采集–>2路SFP传输

开发板FPGA型号：Xilinx–Artix7–xc7a35tfgg484-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：笔记本电脑输出模拟HDMI视频输入，分辨率1920x1080@60Hz，silicon9011解码；
输出：HDMI显示器，silicon9134编码；
应用：2路SFP光口GTP aurora 8b/10b编解码视频传输；
工程Block Design如下：

工程代码架构如下：

综合编译完成后的FPGA资源消耗和功耗预估如下：

8、vivado工程4–>silicon9011采集–>1路SFP传输

开发板FPGA型号：Xilinx–Artix7–xc7a35tfgg484-2；
开发环境：Vivado2019.1；
输入：笔记本电脑输出模拟HDMI视频输入，分辨率1920x1080@60Hz，silicon9011解码；
输出：HDMI显示器，silicon9134编码；；
应用：1路SFP光口GTP aurora 8b/10b编解码视频传输；
工程Block Design、工程代码架构、综合编译完成后的FPGA资源消耗和功耗预估同第5章节；

9、上板调试验证

光纤连接

工程1：2路SFP传输的光纤接法如下：

工程2：1路SFP传输的光纤接法如下：

静态演示

下面以工程1：2路SFP传输为例展示输出效果：
当GTP运行1G和2G线速率时输出如下：

可以看到输出的视频是乱的，这是因为线速率太低了；

我们把GTP线速率提高到4G时时输出如下：

可以看到，此时输出的视频质量就已经很高了；

我们再把GTP线速率提高到5G时输出如下：

如果仔细观察会发现，此时输出视频有一下噪点，这是因为线速率太高了；

动态演示

经过我的认真对比发现，GTP运行4G线速率时，输出视频质量最高，下面展示GTP运行4G线速率时的短视频；

GTP_HDMI_7611

10、福利：工程代码的获取

福利：工程代码的获取
代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送，
资料获取方式：私，或者文章末尾的V名片。
网盘资料如下：