E8—Aurora 64/66B ip实现GTX与GTY的40G通信2023-08-12

1. 场景

要在贴有K7系列FPGA芯片的板子和贴有KU系列FPGA芯片的板子之间通过光模块+光纤+QSFP+实现40G的高速通信。可以选择的方式有多种，但本质的方案就一种，即实现4路GTX与GTY之间的通信。可以选择8B/10B编码通过GT IP核实现，而不能通过Aurora 8/10BIP，因为KU系列中没有Aurora 8B/10B IP。由于8/10B编码方式要比64/66B编码方式传输效率低，所以这里选择64/66B编码方式。如果使用GT IP核实现64/66B编码的二者通信，打开example design会发现KU系列的例程只发送了PRBS序列进行验证，因此换成自己的数据做通信并不方便。此外GT IP核的侧重点是协议灵活，操作灵活，可以更多配置串行收发器"底层"的东西，而Aurora 64/66B对于没有太多特殊需求的用户显然是更友好的，将数据接口进行了封装，还可实现更高的传输效率，使用起来更为方便。由此最终选择Aurora 64/66BIP实现二者之间高达40G的传输。实际传输速度为10.3125Gbps*4=41.25Gbps。由于实现二者之间的通信并不太容易，因此此处构建一个简单的场景先进行原理验证，具体是是，在链路初始化完成之后，GTX向GTY发送0-1000的数字，GTY接收后检错并通过led表示；同时GTY也向GTX发送0-1000的数字，也是接收后检错并通过led表示。对应例程链接本次工程用到的是自己设计的板卡，连接方式如下图所示：

2.结构

其内部模块以及通道模型与Aurora基本一致。

3.IP配置

Aurora 64/66B IP核的配置与Aurora 8B/10B IP的配置基本一致，请参考Aurora 8/10Bip核实现。需要说明，此处GTX与GTY的IP核应配置成一样的速率，并选择同样的接口形式，为了区别于Aurora 8B/10B，此处选择streaming接口，同样都勾选小端模式，符合习惯。具体配置如下：

4.注意事项

①该IP核对复位逻辑有着较为严格的要求，如果工程需要复位，需要查看手册并按照时序要求配置相关信号；如果没有太多要求，可直接使用example design中的复位逻辑。

②用户时钟的计算，每路带宽10.3125Gbps，一共思路，因此总带宽是10.3125G*4=41.25Gbps，结合编码方式应该乘64，除66，然每一个周期发送的数据位宽是256bit，因此user_clk_i=41.25Gbps*(64/66)/256bit=156.25Mhz。

③GTX和GTY生成的例程略有不同，还要注意约束文件的修改。

④提供的例程源码是对example design做了一定的整理，仅仅为了美观。

5.部分源码设计

发送端源码设计

module GTY_Xfer(
    input user_clk_i,
    input system_reset_i, //高电平复位
    input channel_up_i,
    input  tx_tready_i,
    output reg[255:0]tx_tdata_i,
    output reg tx_tvalid_i
    );

wire local_rst;
assign local_rst = system_reset_i | !channel_up_i;
always @(posedge user_clk_i or posedge local_rst) begin
    if(local_rst == 1)begin
        tx_tvalid_i <= 0;
    end else begin
        tx_tvalid_i <= 1;
    end
end
always @(posedge user_clk_i or posedge local_rst) begin
    if(local_rst == 1)begin
        tx_tdata_i <= 0;
    end else if(tx_tready_i)begin
        tx_tdata_i <= tx_tdata_i + 1;
        if(tx_tdata_i == 1000)begin
            tx_tdata_i <= 0;    
        end 
    end
end
endmodule

接收check源码

module GTY_Recv(
    input user_clk_i,
    input system_reset_i, //高电平复位
    input channel_up_i, 
    input [255:0] rx_tdata_i,
    input rx_tvalid_i,
    output reg  led4,
    output error 
    );

wire local_rst;
assign local_rst = system_reset_i | !channel_up_i;
reg [255:0]rd_cnt;
always @(posedge user_clk_i or posedge local_rst) begin
    if(local_rst == 1)begin
        rd_cnt <= 0;
    end else if(rx_tvalid_i)begin
        rd_cnt <= rd_cnt + 1;
        if(rd_cnt == 1000)begin
            rd_cnt <= 0;
        end
    end
end
assign error = rx_tvalid_i & (rd_cnt != rx_tdata_i);
always @(posedge user_clk_i or posedge local_rst) begin
    if(local_rst == 1)begin
        led4 <= 0;
    end else if(error)begin
        led4 <= 1;
    end
end 
endmodule

6.效果

在两端均可抓取到正确的数据信号，并且无error产生。