KC705开发板——MGT IBERT测试记录

本文介绍使用KC705开发板进行MGT的IBERT测试。

KC705开发板

KC705开发板的图片如下图所示。FPGA芯片型号为XC7K325T-2FFG900C。

MGT

MGT是 Multi-Gigabit Transceiver的缩写，是Multi-Gigabit Serializer/Deserializer (SERDES)的别称。MGT包含GTP、GTX、GTH、GTZ、GTY、GTM。在Kintex-7系列FPGA只有GTX。
根据UG810中介绍，KC705上引出的16个GTX收发器分别是

1. Eight of the GTX transceivers are wired to the PCI Express® x8 endpoint edge connector (P1) fingers
2. Four of the GTX transceivers are wired to the FMC HPC connector (J22)
3. One GTX is wired to the FMC LPC connector (J2)
4. One GTX is wired to SMA connectors (RX: J17, J18 TX: J19, J20)
5. One GTX is wired to the SFP/SFP+ Module connector (P5)
6. One GTX is used for the SGMII connection to the Ethernet PHY (U37)

7系列FPGA中的GTX收发器分为四个通道，称为Quad。某Quad的参考时钟可以来源于上一个Quad或下一个Quad。KC705板上有4个GTX Quad，具体连接如下表所示：

Transceiver Bank	Associated Net Name	Connections
MGT_BANK_115	GTXE2_CHANNEL_X0Y0	PCIe7
	GTXE2_CHANNEL_X0Y1	PCIe6
	GTXE2_CHANNEL_X0Y2	PCIe5
	GTXE2_CHANNEL_X0Y3	PCIe4
	MGTREFCLK0	N/C
	MGTREFCLK1	PCIe_CLK
MGT_BANK_116	GTXE2_CHANNEL_X0Y4	PCIe3
	GTXE2_CHANNEL_X0Y5	PCIe2
	GTXE2_CHANNEL_X0Y6	PCIe1
	GTXE2_CHANNEL_X0Y7	PCIe0
	MGTREFCLK0	Si5326
	MGTREFCLK1	FMC LPC GBT_CLK0
MGT_BANK_117	GTXE2_CHANNEL_X0Y8	SMA
	GTXE2_CHANNEL_X0Y9	SGMII
	GTXE2_CHANNEL_X0Y10	SFP/SFP+
	GTXE2_CHANNEL_X0Y11	FMC LPC DP0
	MGTREFCLK0	SGMII_CLK
	MGTREFCLK1	SMA_CLK
MGT_BANK_118	GTXE2_CHANNEL_X0Y12	FMC HPC DP0
	GTXE2_CHANNEL_X0Y13	FMC HPC DP1
	GTXE2_CHANNEL_X0Y14	FMC HPC DP2
	GTXE2_CHANNEL_X0Y15	FMC HPC DP3
	MGTREFCLK0	FMC HPC GBT_CLK0
	MGTREFCLK1	FMC HPC GBT_CLK1

时钟

KC705板载的时钟源有以下几个

1. System Clock Source

系统时钟源为2.5V LVDS差分200 MHz振荡器，SYSCLK_P——AD12，SYSCLK_N——AD11。

2. Programmable User Clock Source

可编程用户时钟源为低抖动3.3V差分振荡器Si570，USER_CLOCK_P——K28, USER_CLOCK_N——K29。上电默认输出频率为156.250 MHz，可通过I2C接口在10MHz~810 MHz范围内调整输出频率。

3. User SMA Clock Input

连接关系：
USER_SMA_CLOCK_P ——L25，USER_SMA_CLOCK_N——K25。

4. GTX SMA Clock Input

连接关系：
SMA_MGT_REFCLK_P——J8，SMA_REFCLK_N——J7，其连接至Bank 117 MGT参考时钟1。

5. Jitter Attenuated Clock

连接关系：
REC_CLOCK_C_P——W27，REC_CLOCK_C_N——W28。
SI5326_OUT_C_P——L8，SI5326_OUT_C_N——L7，连接至Bank 116 MGT参考时钟0。
SI5326_RST——SI5326_RST_LS——AE20。

6. SGMII GTX Transceiver Clock

ICS844021I为一个倍频系数固定为5的芯片，故在此处其输出为125 MHz LVDS差分时钟。
连接关系：SGMIICLK_Q0_P——G8，SGMIICLK_Q0_N——G7，连接至Bank 117 MGT参考时钟0。

IBERT IP核

Protocol Definition

在Protocol为Custom1时，线速率LineRate、数据位宽DataWidth、参考时钟频率Refclk可自行指定。Quad Count取决于待测试的GTX是否位于同一个Bank。勾选Quad PLL则该Quad内的GTX共用一个QPLL，不勾选则不同GTX使用不同的CPLL。QPLL和CPLL的关系示意图如下。

Protocol Selection

根据待测试的GT所位于的Bank号设置Protocol Selected。参考时钟Refclk可以来自于本Quad或上一个Quad或下一个Quad的参考时钟输入。在前面勾选Quad PLL的情况下，TXUSERCLK Source可以任意设置。

Clock Settings

系统时钟System Clock可以选择前面所设置的GT参考时钟，也可以选择外部参考时钟。

生成IP核示例工程

右击IP核后，点击Open IP Example Design生成工程。

注意事项

生成IP核示例工程后，查看综合后的Schematic和I/O Ports确认。

此时修改该工程中的IBERT IP核的GT参考时钟和系统时钟时，引脚分配是不会发生改变的。

SMA回环测试

根据前面的介绍，接下来进行KC705的GT测试。KC705上的J17和J66、J19和J20分别连接了Quad 117的GT的接收通道和发送通道。使用SMA连接线将J17与J19相连，J66与J20相连。

生成并下载Bitstream，点击Auto-detect links，即可看到测试结果。

链路测试所用的回环方式一共有4种，分别是

该4种方式在通信链路中对应的位置示意图如下。

点击Serial I/O Scans中的Create Scan创建扫描。

扫描后得到如下结果。

SFP+回环测试

使用如图所示的回环器，插到KC705开发板上的SFP/SFP+连接器上。

注意到SPF/SFP+所连接的GT收发器是X0Y10。

Transceiver Bank	Associated Net Name	Connections
MGT_BANK_117	GTXE2_CHANNEL_X0Y8	SMA
	GTXE2_CHANNEL_X0Y9	SGMII
	GTXE2_CHANNEL_X0Y10	SFP/SFP+
	GTXE2_CHANNEL_X0Y11	FMC LPC DP0
	MGTREFCLK0	SGMII_CLK
	MGTREFCLK1	SMA_CLK

再做一个MGT参考时钟的实验。方法是从其他博主那里学到的。
即是将SI570默认输出的156.250MHz的差分时钟输入（引脚为K28和K29）；
通过USER_SMA_CLOCK（引脚为L25和K25，SMA头为J11和J12）输出；
然后通过SMA连接线接到SMA_MGT_REFCLK（Bank 117的参考时钟1，引脚为J8和J7，SMA头为J16和J15）。
此时需要更改IBERT IP核中GTX的参考时钟频率和来源，同时该SFP+回环器最高支持10 Gbps，于是我们也将线速率设置为10 Gbps。具体设置如下图所示。


接下来，重新生成IBERT IP核示例工程。
在示例工程的顶层文件中，添加如下代码。

input USER_CLOCK_P,
input USER_CLOCK_N,
output USER_SMA_CLOCK_P,
output USER_SMA_CLOCK_N,wire user_clock;
IBUFGDS u_user_clock(.I(USER_CLOCK_P),.IB(USER_CLOCK_N),.O(user_clock));wire user_clock_bufg;
BUFG u_BUFG_sysclk (.O(user_clock_bufg),.I(user_clock)
);OBUFDS u_OBUFDS_sysclk (.O (USER_SMA_CLOCK_P),      .OB(USER_SMA_CLOCK_N), .I (user_clock_bufg)  
);

同时在xdc文件中，添加时钟约束和引脚约束。

create_clock -name user_clock -period 6.4 [get_ports USER_CLOCK_P]
create_clock -name user_sma_clock -period 6.4 [get_ports USER_SMA_CLOCK_P]
set_property PACKAGE_PIN K28 [get_ports USER_CLOCK_P]
set_property IOSTANDARD LVDS_25 [get_ports USER_CLOCK_P]
set_property PACKAGE_PIN L25 [get_ports USER_SMA_CLOCK_P]
set_property IOSTANDARD LVDS_25 [get_ports USER_SMA_CLOCK_P]

综合后得到额外的RTL电路为。

生成并下载Bitstream，链路正常锁定，得到链路测试结果如下。

眼图扫描结果如下。

参考资料

1. kc705_Schematic_xtp132_rev1_1.pdf
2. xtp200-kc705-ibert-c-2014-3.pdf
3. ug810_KC705_Eval_Bd.pdf
4. ug811_ChipScopeUsingIBERTwithAnalyzer.pdf