xilinx的高速接口构成原理和连接结构

本文来源：

1. V3学院 尤老师的培训班笔记
2. 【高速收发器】xilinx高速收发器学习记录
3. Xilinx-7Series-FPGA高速收发器使用学习—概述与参考时钟
4. GT Transceiver的总体架构梳理

一、概述：

Xilinx 的高速接口称之为 transceivers（高速收发器），这部分电路是专用电路，供电等都是独立的，管脚和通用管脚不通用。每个系列的高速接口略有不同，分别为：
1.A7 的GTP
2.V7的GTH
3.K7的GTX
4.少量V7的GTZ

它们之间的区别在于最高线速率不同，GTZ>GTH>GTX>GTP.，结构大致相同。

手上板子的芯片是xc7a100t系列的，因此需要参考的手册是ug482。

二、高速收发器结构：

上图可以看到：A7系列的高速收发器（GTP）是上下两侧分布的，而K7系列的高速收发器（GTX）则是单列放置。

2.1 QUAD

Xilinx 的高速接口是 QUAD 为单位的，意思是 4 对收发器（channel）组成一个 QUAD ，这是收发器的最小单元。
quad内部结构图如下：


可见一个quad包括：
1.4个channel，每个channel包含一对收发器
2.1个common(共享时钟资源），包含两个PLL。
3.两个REFCLK(参考时钟)。

注释：
1.GTREFFCLK0/1 是参考时钟，是给高速接口内的 PLL 提供的参考时钟用于产生 PLL 输出
时钟的。
2.GTGREFCLK 是用于测试高速接口的测试时钟，一般我们用户不需使用，比如 IBERT 这
种测试软件可以使用。
3.SouthCLK 是由相邻的上游 QUAD 提供的时钟或者给相邻下游 QUAD 提供时钟，上图是
一个独立的 QUAD。
4.NorthCLK 是由下游的 QUAD 提供时钟，或者给相邻上游的 QUAD 提供时钟。

2.1.1 时钟

因为每一个Quad有两个外部参考时钟，因此对于每一个Quad来说，可以选择两个不同的参考时钟，每一个CHANNEL的接收端和发送端都可以独立选择参考时钟，如下图所示：

此外，还可以使用其他Qua的参考时钟（south clk & north clk），

图上可以看到：REFCLK进来必须要经过一个IBUFDS_GTE,完成差分转单端。
IBUFDS_GTE内部结构图：

注释：HROW是全局时钟放在水平方向还是垂直方向的节点，ODIV2是输出给用户逻辑用的，可以选二分频或者不分频或者直接拉低降低功耗。

注意CPLL和QPLL的区别：
1.QPLL，其中的Q含义就是QUAD，即一个GTX QUAD公用的PLL。
2.CPLL，即Channel PLL，含义是每一个Channel单独拥有的PLL。
3.两者支持的线速率不同CPLL的速率要小于QPLL。

2.1.2 CHANNEL的内部结构：

• Transmitter的数据流大致为： FPGA用户逻辑的数据，进入FPGA TX接口，进入PCS，再经过PMA，转换为高速串行数据输出。

• Receiver的数据流大致为：数据由PMA部分结构，转换为并行数据进入PCS，再经过RX接口输出给FPGA用户逻辑处理。

1）TX

其中： 用户的并行数据实际是64bit, PCS中会插入2bit数据让他变成66bit.(做64b/66b编码)，但是PCSparallel clock 和PMA parallelclock之间的交互，它并不会一次将66位取走，比如他一次取走32位，两次才会取走64位。多余的两位就取不走了，怎么办？

答：一个周期剩余2bit数据，等到16个周期之后，就满32位了，此时TX Sync Gearbox缓存了32位了，就会告诉用户端，让他停一拍，此时TX Sync Gearbox就把积累的32位传递给PMA parallelclock这边了。

2）RX

其中比较重要的是：Rx-PMA中有CDR(时钟恢复模块)，依赖refclk，从数据中将时钟恢复出来。