FPGA - GTX收发器-K码以及 IBERT IP核使用

一，前言

在FPGA - Xilinx系列高速收发器---GTX中详细介绍了GTX的基础知识，以及IP核的调用，下面将补充一下GTX在使用中的高速串行数据流在接收和发送时的控制与对齐（K码），以及高速接口GTX，如果GTX建链建不起来，Vivado自带的调试工具误码率测试（Integrated Bit Error Ratio Tester，IBERT）核的使用。

二，Comma码（K码）

高速串行数据流在接收端需要重新串并转换成多个字节的并行数据，如何有效的识别32bit数据边界？这就需要一个特殊的序列，即为Comma码（K码）。在任意数据组合中，Comma码只作为控制字符出现，在数据负荷部分不会出现，所以使用comma码字符只是帧的开始和结束标志，或者修正和数据流对齐的控制字符。

        K码是一个集合，D码用来传数据字符，K码用来传控制字符，所有和数据本身无关的通道控制功能都是由K码来完成的。
        常见的 K 码为 K28.5，换成十六进制就是 0xBC。
        使用 GT 收发器时,K码主要起到两个作用:  ①K码对齐(comma alignment) ②)帧对齐(word alignment)

K码对齐(comma alignment)
定义:接收端通过K码，将连续1bit 的数据串行数据分割成有效的字节数据，也就是将有效数据从连续的 0、1中间恢复出来。K 码对齐是 GT IP 核自动完成的。

看下面例子（aabbcc可以看作为帧头，bc为K码）

但是在实际传输中可能出现了字节偏移，如下图：

对于用户端就得设计帧对齐，即通过判断charisk的值，来判断是否发生了字节偏移，如果发生了偏移就进行移位操作，如下图：

三，IBERT核

1，概述

IBERT（集成误码率测试仪）是xilinx为7系列FPGA GTX收发器设计的，用于评估和监控GTX收发器。IBERT包括在FPGA逻辑中实现的模式生成器和检查器，以及对端口的访问和GTX收发器的动态重新配置端口属性，还包括通信逻辑，以允许设计在运行时通过JTAG进行访问。

IBERT工具用于对Xilinx FPGA芯片的高速串行收发器进行板级硬件测试。通过IBERT可以获取误码率，观察眼图，调节串行收发器的参数，从而有助于判断可能存在的问题，便于验证硬件的稳定性和信号完整性。

2，测试原理

IBERT中的BERT是Bit Error Ratio Test的缩写，指比特出错概率测试，简而言之就是误码率测试。Vivado中IBERT工具的测试原理是通过收发器由外部回环进行自收自发而实现。就是将同一组收发器的TX和RX进行短接，TX发送端通过发送某种特定序列的数据流，在RX接收端接收后，通过比对发送和接收的数据，从而得出接收端误码的统计值。

GTX接收和发送方向均由PMA和PCS两部分组成，PCS提供丰富的物理编码层特性，如8b10b编码、时钟校准等功能，PMA部分为模拟电路，提供高性能的串行接口特性，如预加重、均衡等功能。GTX同时还提供动态配置接口，用于动态的修改GTX的配置。

IBERT 工具的环回模式有:

近端PCS环回测试（路径①），数据流仅通过近端GTX的PCS部分，可用于验证近端GTX中PCS收发双向的设置；

近端PMA环回测试（路径②)，数据流通过近端GTX的PCS、PMA,可用于验证近端GTX收发双向的设置；

远端PMA环回测试（路径③），数据流通过近端GTX的PCS和PMA，远端的GTX的PMA部分，通过两个GTX之间的物理连线，验证两个GTX之间物理联系的可靠性，以及验证两个GTX的PMA部分设置的正确性；

远端PCS环回测试（路径④）验证近端收发器和远端收发器的通信状况；以及None无环回模式即通过外部连接发送和接收。

远端PCS或PMA环回测试时板卡下载IBERT核生成的bit文件，通过两个通道上的Tx和Rx接口互相连接，其中一个通道上的模式设置为Far_End_PMA或Far_End_PCS模式，另一个通道设置为默认的None模式并监测误码率。

Vivado中IBERT默认模式为None模式，收发器通过外部连线由外部环回进行自收自发而实现。可将同一组收发器的TX和RX进行短接，在RX接收端接收TX发送的数据后，通过比对发送和接收的数据，从而得出接收端误码的统计值。

3,IP核配置

（1）创建工程

打开vivado，新建工程后从IP Catalog找到IBERT并双击打开；

（2）第一页配置

IBERT测试协议选择Custom1，GTX参考时钟选择频率为125MHz，在配置的过程中，Refclk可选的频率是由LineRate决定，由于在板卡上Refclk已固定为125MHz，因此测试所选择的线速应支持125MHz的参考时钟。

（3）第二页配置

（4）第三页配置

（5）第四页总结

（6）打开例程

创建完成后打开官方例程

（7）生成比特流-烧录

（8）测试

在Serial I/O Links窗口创建连接，将同1个GTX中同一个通道的TX和RX建立link。（也可以选择auto-detectlinks）

进行近端环回

选择 MGT_X0Y0/TX MGT_X0Y0/RX

MGT_X0Y1/TX MGT_X0Y1/RX

在serial I/O link最右端的loopback mode选择近端PCS（或PMA）环回模式，在改变模式时可能会出现误码，需要点击reset重新监测。

然后创建眼图：

可以看到蓝色表示正常，红色表示误码

远端环回

改变环回模式后记得复位一下

创建眼图

四、总结

通过环回和开环方式进行误码率测试，可以识别问题并测定板卡的实际支持速率。IBERT能够在运行时配置高速串行收发通道的各项参数，提供多种环回模式和测试激励源，并通过自动扫描测试确定收发的最佳参数。这能够满足硬件测试中对高速串行收发通道信号测试的大部分需求，也适用于故障定位等场合。