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
- Eight of the GTX transceivers are wired to the PCI Express® x8 endpoint edge connector (P1) fingers
- Four of the GTX transceivers are wired to the FMC HPC connector (J22)
- One GTX is wired to the FMC LPC connector (J2)
- One GTX is wired to SMA connectors (RX: J17, J18 TX: J19, J20)
- One GTX is wired to the SFP/SFP+ Module connector (P5)
- 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。
Bank 117上GT收发器的连接关系如下表。
| 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 |
注意到SPF/SFP+所连接的GT收发器是X0Y10，参考时钟输入1来自于外部时钟输入。
此时IBERT IP核参考时钟，仍可选择SMA回环测试中的MGTREFCLK0 117。为了再做一个MGT参考时钟的实验，将参考时钟设为MGTREFCLK1 117。时钟产生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）。
最后的硬件连接关系如下图所示。
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。
cpp
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。
cpp
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
- kc705_Schematic_xtp132_rev1_1.pdf
- xtp200-kc705-ibert-c-2014-3.pdf
- ug810_KC705_Eval_Bd.pdf
- ug811_ChipScopeUsingIBERTwithAnalyzer.pdf