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aurora8b10b ip的使用（framing接口下的数据回环测试）

news 2025/8/31 16:05:24

文章目录

一、Aurora8B/10B协议
二、时钟、复位与状态指示
- 1、时钟
- 2、复位
- 3、状态指示
三、数据发送、接受接口
- （1）AXI4-Stream位排序
- （2）Streaming接口
- （3）Framing接口（帧传输接口）
四、ip核配置与使用
- 实验描述：
- ip配置

一、Aurora8B/10B协议

Aurora 协议是一个用于在点对点串行链路间移动数据的可扩展轻量级链路层协议（由Xilinx开发提供）。这为物理层提供透明接口，让专有协议或业界标准协议上层能方便地使用高速收发器。Aurora协议在Xilinx的FPGA上有两种实现方式：8B/10B 与 64B/10B。两个协议大部分相同，主要区别在编码方式上：

Aurora 8B/10B：将8bit数据编码成10bit数码进行传输，尽量平衡数据中“0”和“1”的个数以实现DC平衡，显然这个编码方式的开销是20%，也就是效率为80%。
Aurora 64B/10B：将64bit数据编码成66bit块传输，66bit块的前两位表示同步头，主要由于接收端的数据对齐和接收数据位流的同步。同步头有“01”和“10”两种，“01“表示后面的64bit都是数据，“10”表示后面的64bit是数据信息。数据信息0和1不一定是平衡的，因此需要进行加扰，开销较小。

二、时钟、复位与状态指示

1、时钟

高速接口的IO都在MGT bank上面
1个bank有4对Lane，2对差分时钟。

ref_clk ：Aurora IP核是基于GT作为物理层实现的，所以时钟ref_clk就是GT的参考时钟。GT的时钟参考只能使用外部的差分时钟，所以具体的值取决板卡的硬件设计。默认125Mhz。
INIT CLK ：初始化阶段的时钟，在上电初始化阶段，可以使用该时钟来驱动一些逻辑。默认值：50Mhz。
DRP CLK ： DRP时钟，动态重配置，一般没用，默认值：50Mhz（通常一个内部模块需要进行配置，使用两种方法：端口控制和配置参数控制。一个常见的应用就是线速率切换。这时候就需要利用DRP端口来调整部分参数的值，然后复位GTX，使GTX工作在不同的线速率下。）
user_clk_out: 这个时钟，是IP核根据设置的线速率及Lane的位宽计算出来的用户时钟，用户需要传输的数据必须是该时钟域下的数据，否则会存在亚稳态风险。

总结：1、ref_clk 的值根据对应硬件设计的来；

2、INIT CLK 和DRP CLK可以用PLL或者MMCM生成；

3、user_clk_out是用户时钟域，数据收发接口应该工作在此时钟域下。

2、复位

全双工模块下的复位设计：
复位信号有gt_reset和系统复位reset两种,且都是高复位。
gt_reset复位比较底层,可以理解系统复位reset是gt_reset的子集。

reset：用于复位 Aurora 8B/10B IP 核的协议层逻辑（控制逻辑、数据路径等）。它的作用是确保协议层逻辑处于正确的初始状态，不会影响底层的 GT 模块。
gt_reset：用于复位底层的高速收发器（GT），包括 PLL、CDR、SerDes 等。它的作用是确保 GT 模块的正确初始化和数据同步，影响整个链路的物理层操作。

reset:至少保持6个user_clk周期、之后的channel_up保持三个周期后拉低。

get_reset至少保持6个init_clk。

使用a7板子，在实际设计中复位时序如下：
在这里插入图片描述

3、状态指示

Aurora IP还提供了一系列的指示接口出来，方便进行调试：
在这里插入图片描述

loopback：回环模式，实际使用一般接到0
power down：高电平有效。当其为高时，GT会进入非工作、低功耗的模式（类似睡眠模式）。使用的时一般直接拉低。
lane_up：当对应的Lane初始化完成后，会断言对应的lane_up – -
channel_up：当Auroa 8b/10b初始化完成后，并且当前已经可以进行数据的传输时，会断言该信号
hard_err：错误表征应信号，主要是硬件类错误
soft_err：错误表征应信号，主要是软件类错误
frame_err：错误表征应信号，主要是帧类错误

三、数据发送、接受接口

Aurora 8B/10B IP核支持AXI4-Stream协议，并依据是否对AXI4-Stream协议进行再封装来提供两种数据传输接口：Framing 接口（帧传输接口）和Streaming接口（流传输接口）。

Framing接口（帧传输接口）：在AXI4-Stream的基础上添加了帧头、帧尾等控制信号，使得传输更准确，但是会降低传输效率和使用较多资源
Streaming接口（流传输接口）：基本上就是一个非常简化的AXI4-Stream接口，只有数据有效、握手和数据信号，此种方式传输效率高，但无法保证传输的准确性

（1）AXI4-Stream位排序

Aurora 8B / 10B IP核采用升序排列。首先发送和接收最高有效字节的最高有效位。下图显示了n字节的Aurora 8B / 10B IP核的AXI4-Stream数据接口示例。
在这里插入图片描述

（2）Streaming接口

Streaming接口示意图如下：

在这里插入图片描述

看起来比 Framing接口简化了很多，因为发送端和接收端都少了keep和last这两个信号（共4个）。之前说过，Framing接口的帧框架使得需要使用keep和last这两个信号来控制帧的长度，所以信号较多。而Streaming接口则没有帧框架，相当于一条不停流动的管道，所以不需要使用keep和last这两个信号来控制长度。

用起来也很简单，发送数据只要在tvalid信号和tready信号握手成功时就可以发送；接收数据就更简单了，只要tvalid为高则说明此时接收的数据是有效的。

Example A: TX Streaming Data Transfer（数据发送）

只有当s_axi_tx_tready、s_axi_tx_tvalid均为高（成功握手）时，才可以发送数据。

在这里插入图片描述

Example B: RX Streaming Data Transfer（接收数据）

只有当m_axi_rx_tvalid为高时才说明接收到的数据为有效数据。

在这里插入图片描述
Streaming接口总结：

Streaming接口就是经典的AXI4-Streaming接口，没有帧的概念，数据总线上数据长度是不受限制的
发送端用户只需要在发送、接收双方完成握手后，即可发送数据，通信双方均可通过握手信号来反压对方；接收端用户仅需要在valid信号有效时从总线上拿数据即可

（3）Framing接口（帧传输接口）

Framing接口示意图如下：
在这里插入图片描述
Framing接口由于存在frame（帧）的概念，所以接口信号较之Streaming接口要复杂一点，主要接口如下：

1）发送端（相对于用户来说）

名称	方向	时钟域	说明
s_axi_tx_tdata[(8n–1):0]	输入	user_clk	用户要发送的数据，位宽由链路位宽和链路数量决定
s_axi_tx_tready	输出	user_clk	为高表明当前IP核准备接收数据
s_axi_tx_tlast	输入	user_clk	发送的最后一个数据，高电平有效
s_axi_tx_tkeep[(n–1):0]	输入	user_clk	用来指示发送的最后一个数据的有效字节
s_axi_tx_tvalid	输入	user_clk	为高表明当前用户发送的数据有效

2）接收端（相对于用户来说）：

名称	方向	时钟域	说明
m_axi_rx_tdata[8(n–1):0]	输出	user_clk	接收到的数据，位宽由链路位宽和链路数量决定
m_axi_rx_tlast	输出	user_clk	接收的最后一个数据，高电平有效
m_axi_rx_tkeep[(n–1):0]	输出	user_clk	用来指示接收的最后一个数据的有效字节
m_axi_rx_tvalid	输出	user_clk	为高表明当前接收的数据有效

3）Example A: Simple Data Transfer（简单数据传输）
注：其实发送数据方式有很多，这里只给出常用的一种，即：简单数据传输

在valid信号与ready信号握手成功期间传输数据，传输到最后一个数据DATA2时，拉高tlast信号，表明此时传输的是最后一个数据。tkeep信号用来指示数据帧中哪些字节是有效的。
在这里插入图片描述
数据接收案例：
接收数据过程简单的很，只需要数据有效信号m_axi_rx_tvalid为高时，则表示此时接收的数据有效。

Framing接口总结：

Framing接口类似被再封装的AXI4-Streaming接口，IP核自动加入帧头、帧尾，并在固定时间内完成时钟补偿
发送端用户只需要在发送、接收双方完成握手后，即可发送数据，通信双方均可通过握手信号来反压对方；接收端用户仅需要在valid信号有效时从总线上拿数据即可
由于是帧结构，所以需要有信号来约束帧长度–tlast；

四、ip核配置与使用

实验描述：

使用aurora 8b10b 实现数据回环测试（tx和rx短接在一起）。
其中aurora ip设置部分：数据流采用framing接口，练习该接口的使用。（之后的项目中实际使用streaming接口）
在这里插入图片描述

aurora_tx_ctrl_inst模块：负责产生tx_tdata 和ufc_tx_tdata。Aurora 8B/10B IP 核对接收到的并行数据进行并转串、8b/10b等操作后，将数据通过 GT 模块输出，而 GT 模块的 TX 串行数据接口（如 gtptxn, gtptxp）需要连接到物理管脚。（数据的回环测试时，不需要绑定管脚，而是通过内部的回环机制在 FPGA 内部实现）
关键时序设计：
aurora_rx_ctrl_inst模块：通过将TX和RX短接，Aurora 8B/10B IP核的RX串行数据接口（gtprxn, gtprxp）
对接收到的串行数据进行解码和处理，包括 8B/10B 解码、串行到并行转换等操作，最后将并行数据输入到aurora_rx_ctrl_inst模块，在该模块中例化ila，验证完整的tx和rx数据通道是否无误。