FPGA实现GTP光口视频转USB3.0 UVC，基于Aurora8B10B+FT602芯片架构，提供4套工程源码和技术支持

目录

• 1、前言
• • 创作背景
  • 工程概述
  • 免责声明
• 2、相关方案推荐
• • 我已有的所有工程源码总目录----方便你快速找到自己喜欢的项目
  • 本博已有的FPGA驱动USB通信方案
  • 本博已有的FPGA实现UVC图传方案
  • [本博已有的 GT 高速接口解决方案](#本博已有的 GT 高速接口解决方案)
• 3、详细设计方案
• • 设计原理框图
  • 输入Sensor之-->OV5640摄像头
  • 输入Sensor之-->ADV7611芯片解码的HDMI
  • 视频数据组包
  • 基于GTP高速收发器的视频传输架构
  • • GTP高速收发器--IP核简介
    • GTP高速收发器--基本结构
    • GTP高速收发器--数据收发处理流程
    • GTP高速收发器--参考时钟
    • GTP高速收发器--发送接口
    • GTP高速收发器--接收接口
    • GTP高速收发器--IP核调用和使用
  • 数据对齐
  • 视频数据解包
  • 图像缓存
  • 视频读取控制
  • RGB888转YUV422
  • UVC图像处理
  • FT602芯片
  • UVC接收显示
  • 工程源码架构
• 4、vivado工程源码1详解-->Artix7-35T，OV5640光编码转UVC
• 5、vivado工程源码2详解-->Artix7-35T，HDMI光编码转UVC
• 6、vivado工程源码3详解-->Artix7-100T，OV5640光编码转UVC
• 7、vivado工程源码4详解-->Artix7-100T，HDMI光编码转UVC
• 8、工程移植说明
• • vivado版本不一致处理
  • FPGA型号不一致处理
  • 其他注意事项
• 9、上板调试验证
• • 准备工作
  • UVC详细测试步骤
  • UVC视频录制本地保存
  • [USB3.0 UVC 视频传输效果演示](#USB3.0 UVC 视频传输效果演示)
• 12、工程代码的获取

FPGA实现GTP光口视频转USB3.0 UVC，基于Aurora8B10B+FT602芯片架构，提供4套工程源码和技术支持

FPGA基于FT602实现USB3.0 UVC 视频传输

1、前言

创作背景

什么是UVC

UVC全称为USB Video Class，即USB 视频类，是一种为 USB 视频捕获设备定义的协议标准。

USB视频设备类（USB Video Class, UVC）是由USB Implementers Forum（USB-IF）制定并维护的通用协议规范，旨在为基于USB接口的视频采集设备确立统一的通信标准。该标准定义了视频数据流、控制命令及 payload 格式，使符合规范的摄像头、摄像机等设备能够实现真正的"即插即用"（Plug-and-Play）。

其主要技术特性与优势包括：

系统无关的兼容性：完全支持UVC 1.1或更高版本的设备，可在Windows、Linux、macOS等主流操作系统中直接识别并使用，无需安装厂商专属驱动，显著降低了部署与维护的复杂性。

标准化的数据与控制接口：规范明确定义了视频流传输格式（如未压缩的YUY2/MJPEG/H.264）及设备控制单元（如亮度、对比度、对焦），确保了跨厂商设备的功能一致性与可互换性。

优化的工业应用适配：凭借其即插即用、稳定可靠及易于集成的特点，UVC摄像头广泛应用于机器视觉、视频会议、自助服务终端、嵌入式系统、物流分拣及轻型自动化产线等场景，成为工业图像采集领域中高性价比的标准化解决方案。

FPGA实现UVC现状

FPGA实现UVC，一般方案为外挂PHY芯片实现UVC物理层，FPGA内部逻辑实现UVC协议层，由于UVC具有系统无关的兼容性，所以无需驱动和额外QT上位机。目前主流的PHY芯片有CYUSB3014和FT602，二者各有千秋，就价格、功耗、设计难以程度而言，FT602略胜于CYUSB3014。

本设计使用FT602芯片实现UVC物理层，FPGA内部逻辑实现UVC协议层。

FPGA实现SFP光口视频编解码现状

目前基于Xilinx系列FPGA的SFP光口视频编解码主要有以下几种，Artix7系列的GTP、Kintex7系列的GTX、更高端FPGA器件的GTH、GTY、GTV、GTM等，线速率越来越高，应用场景也越来越高端；编码方式也是多种多样，有8b/10b编解码、64b/66b编解码、HDMI编解码、SDI编解码等等；

本设计采用7系列的GTP高速收发器自带的Aurora8B10B编解码的方式实现SFP光口视频编解码；

工程概述

本设计使用FPGA基于Aurora8B10B+FT602芯片架构实现GTP光口视频转USB3.0 UVC。

视频输入源有多种，一种是板载的HDMI输入接口，另一种是传统摄像头，包括OV7725、OV5640和AR0135；如果你的FPGA开发板没有视频输入接口，或者你的手里没有摄像头时，可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频，代码里通过parametr参数选择视频源，默认不使用动态彩条；FPGA首先对摄像头进行i2c初始化配置，然后采集摄像头视频；然后采集视频送入verilog实现的视频组包模块，将视频的每一行打上包头包尾标记以包的形式输出，以便接收方进行有效识别；让后调用Xilinx官方的GTP IP核实现视频Aurora8B10B编码和数据串化，将并行数据串化为高速串行差分信号，线速率设置为5Gbps，编码后的视频通过板载的SFP光口的光纤输出；然后用板载的SFP光口的光纤接收视频，然后送入Xilinx官方的GTP IP核实现视频Aurora8B10B解码和数据解串，将差分高速串行信号解为并行数据；然后数据送入verilog实现的数据对齐模块，实现错位数据对齐；然后数据送入verilog实现的视频解包模块，实现每一行的视频包头包尾拆解，并生成对应的场同步信号和数据有效信号输出；然后视频送入纯verilog实现的图像缓存架构对采集视频做3帧缓存，缓存介质为板载DDR3/4；然后Native视频时序控制图像缓存架构从DDR中读取视频并同步输出RGB888视频流；然后RGB视频送入纯verilog实现RGB888转YUV422实现视频格式转换；同时FPGA逻辑对FT602做接口匹配对接工作，以保证FT602正常工作；然后YUV422送入纯verilog实现UVC图像处理模块，实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理，完成UVC协议层，并以标准的FT602用户IO读写时序输出；然后UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层；用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口；无需安装驱动，直接打开Win10自带的相机软件，即可看到FPGA采集发来的图像。针对市场主流需求，本博客设计并提供4套工程源码，具体如下：

现对上述4套工程源码做如下解释，方便读者理解：

工程源码1

开发板FPGA型号为Xilinx-->Artix7--xc7a35tfgg484-2；

视频输入源为OV5640摄像头，如果你的FPGA开发板没有视频输入接口，或者你的手里没有摄像头时，可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频，代码里通过parametr参数选择视频源，默认不使用动态彩条；FPGA首先使用纯Verilog实现的i2c总线对摄像头进行初始化配置，分辨率配置为1280x720@30Hz；然后采集输入视频，将输入的两个时钟传输一个RGB565像素的视频采集为一个时钟传输一个RGB888像素的视频；然后采集视频送入verilog实现的视频组包模块，将视频的每一行打上包头包尾标记以包的形式输出，以便接收方进行有效识别；让后调用Xilinx官方的GTP IP核实现视频Aurora8B10B编码和数据串化，将并行数据串化为高速串行差分信号，线速率设置为5Gbps，编码后的视频通过板载的SFP光口的光纤输出；然后用板载的SFP光口的光纤接收视频，然后送入Xilinx官方的GTP IP核实现视频Aurora8B10B解码和数据解串，将差分高速串行信号解为并行数据；然后数据送入verilog实现的数据对齐模块，实现错位数据对齐；然后数据送入verilog实现的视频解包模块，实现每一行的视频包头包尾拆解，并生成对应的场同步信号和数据有效信号输出；然后视频送入纯verilog实现的图像缓存架构对采集视频做3帧缓存，缓存介质为板载DDR3；然后Native视频时序控制图像缓存架构从DDR3中读取视频并同步输出RGB888视频流；然后RGB视频送入纯verilog实现RGB888转YUV422实现视频格式转换；同时FPGA逻辑对FT602做接口匹配对接工作，以保证FT602正常工作；然后YUV422送入纯verilog实现UVC图像处理模块，实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理，完成UVC协议层，并以标准的FT602用户IO读写时序输出，输出分辨率为1280x720@60Hz；然后UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层；用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口；无需安装驱动，直接打开Win10自带的相机软件，即可看到FPGA采集发来的图像。

此工程适用于Xilinx-Artix7系列FPGA移植修改以及后续二次开发。

工程源码2

开发板FPGA型号为Xilinx-->Artix7--xc7a35tfgg484-2；

输入视频源为HDMI视频，用笔记本电脑模拟，笔记本电脑通过HDMI线连接FPGA开发板的HDMI输入接口，板载的ADV7611芯片实现HDMI视频解码，FPGA使用纯Verilog实现的i2c总线对ADV7611进行初始化配置，分辨率配置为1920x1080@60Hz，输出RGB888视频给FPGA；然后采集视频送入verilog实现的视频组包模块，将视频的每一行打上包头包尾标记以包的形式输出，以便接收方进行有效识别；让后调用Xilinx官方的GTP IP核实现视频Aurora8B10B编码和数据串化，将并行数据串化为高速串行差分信号，线速率设置为5Gbps，编码后的视频通过板载的SFP光口的光纤输出；然后用板载的SFP光口的光纤接收视频，然后送入Xilinx官方的GTP IP核实现视频Aurora8B10B解码和数据解串，将差分高速串行信号解为并行数据；然后数据送入verilog实现的数据对齐模块，实现错位数据对齐；然后数据送入verilog实现的视频解包模块，实现每一行的视频包头包尾拆解，并生成对应的场同步信号和数据有效信号输出；然后视频送入纯verilog实现的图像缓存架构对采集视频做3帧缓存，缓存介质为板载DDR3；然后Native视频时序控制图像缓存架构从DDR3中读取视频并同步输出RGB888视频流；然后RGB视频送入纯verilog实现RGB888转YUV422实现视频格式转换；同时FPGA逻辑对FT602做接口匹配对接工作，以保证FT602正常工作；然后YUV422送入纯verilog实现UVC图像处理模块，实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理，完成UVC协议层，并以标准的FT602用户IO读写时序输出，输出分辨率为1920x1080@60Hz；然后UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层；用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口；无需安装驱动，直接打开Win10自带的相机软件，即可看到FPGA采集发来的图像。

此工程适用于Xilinx-Artix7系列FPGA移植修改以及后续二次开发。

工程源码3

开发板FPGA型号为Xilinx-->Artix7--xc7a100tfgg484-2；

视频输入源为OV5640摄像头，如果你的FPGA开发板没有视频输入接口，或者你的手里没有摄像头时，可以使用FPGA逻辑实现的动态彩条模拟输入视频，代码里通过parametr参数选择视频源，默认不使用动态彩条；FPGA首先使用纯Verilog实现的i2c总线对摄像头进行初始化配置，分辨率配置为1280x720@30Hz；然后采集输入视频，将输入的两个时钟传输一个RGB565像素的视频采集为一个时钟传输一个RGB888像素的视频；然后采集视频送入verilog实现的视频组包模块，将视频的每一行打上包头包尾标记以包的形式输出，以便接收方进行有效识别；让后调用Xilinx官方的GTP IP核实现视频Aurora8B10B编码和数据串化，将并行数据串化为高速串行差分信号，线速率设置为5Gbps，编码后的视频通过板载的SFP光口的光纤输出；然后用板载的SFP光口的光纤接收视频，然后送入Xilinx官方的GTP IP核实现视频Aurora8B10B解码和数据解串，将差分高速串行信号解为并行数据；然后数据送入verilog实现的数据对齐模块，实现错位数据对齐；然后数据送入verilog实现的视频解包模块，实现每一行的视频包头包尾拆解，并生成对应的场同步信号和数据有效信号输出；然后视频送入纯verilog实现的图像缓存架构对采集视频做3帧缓存，缓存介质为板载DDR3；然后Native视频时序控制图像缓存架构从DDR3中读取视频并同步输出RGB888视频流；然后RGB视频送入纯verilog实现RGB888转YUV422实现视频格式转换；同时FPGA逻辑对FT602做接口匹配对接工作，以保证FT602正常工作；然后YUV422送入纯verilog实现UVC图像处理模块，实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理，完成UVC协议层，并以标准的FT602用户IO读写时序输出，输出分辨率为1280x720@60Hz；然后UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层；用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口；无需安装驱动，直接打开Win10自带的相机软件，即可看到FPGA采集发来的图像。

此工程适用于Xilinx-Artix7系列FPGA移植修改以及后续二次开发。

工程源码4

开发板FPGA型号为Xilinx-->Artix7--xc7a100tfgg484-2；

输入视频源为HDMI视频，用笔记本电脑模拟，笔记本电脑通过HDMI线连接FPGA开发板的HDMI输入接口，板载的ADV7611芯片实现HDMI视频解码，FPGA使用纯Verilog实现的i2c总线对ADV7611进行初始化配置，分辨率配置为1920x1080@60Hz，输出RGB888视频给FPGA；然后采集视频送入verilog实现的视频组包模块，将视频的每一行打上包头包尾标记以包的形式输出，以便接收方进行有效识别；让后调用Xilinx官方的GTP IP核实现视频Aurora8B10B编码和数据串化，将并行数据串化为高速串行差分信号，线速率设置为5Gbps，编码后的视频通过板载的SFP光口的光纤输出；然后用板载的SFP光口的光纤接收视频，然后送入Xilinx官方的GTP IP核实现视频Aurora8B10B解码和数据解串，将差分高速串行信号解为并行数据；然后数据送入verilog实现的数据对齐模块，实现错位数据对齐；然后数据送入verilog实现的视频解包模块，实现每一行的视频包头包尾拆解，并生成对应的场同步信号和数据有效信号输出；然后视频送入纯verilog实现的图像缓存架构对采集视频做3帧缓存，缓存介质为板载DDR3；然后Native视频时序控制图像缓存架构从DDR3中读取视频并同步输出RGB888视频流；然后RGB视频送入纯verilog实现RGB888转YUV422实现视频格式转换；同时FPGA逻辑对FT602做接口匹配对接工作，以保证FT602正常工作；然后YUV422送入纯verilog实现UVC图像处理模块，实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理，完成UVC协议层，并以标准的FT602用户IO读写时序输出，输出分辨率为1920x1080@60Hz；然后UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层；用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口；无需安装驱动，直接打开Win10自带的相机软件，即可看到FPGA采集发来的图像。

此工程适用于Xilinx-Artix7系列FPGA移植修改以及后续二次开发。

本博客详细描述了FPGA基于Aurora8B10B+FT602芯片架构实现GTP光口视频转USB3.0 UVC的设计方案，工程代码可综合编译上板调试，可直接项目移植，适用于在校学生、研究生项目开发，也适用于在职工程师做学习提升，可应用于医疗、军工等行业的高速接口或图像处理领域；

提供完整的、跑通的工程源码和技术支持；

工程源码和技术支持的获取方式放在了文章末尾，请耐心看到最后；

免责声明

本工程及其源码即有自己写的一部分，也有网络公开渠道获取的一部分(包括CSDN、Xilinx官网、Altera官网等等)，若大佬们觉得有所冒犯，请私信批评教育；基于此，本工程及其源码仅限于读者或粉丝个人学习和研究，禁止用于商业用途，若由于读者或粉丝自身原因用于商业用途所导致的法律问题，与本博客及博主无关，请谨慎使用。。。

2、相关方案推荐

我已有的所有工程源码总目录----方便你快速找到自己喜欢的项目

其实一直有朋友反馈，说我的博客文章太多了，乱花渐欲迷人，自己看得一头雾水，不方便快速定位找到自己想要的项目，所以本博文置顶，列出我目前已有的所有项目，并给出总目录，每个项目的文章链接，当然，本博文实时更新。。。以下是博客地址：
点击直接前往

本博已有的FPGA驱动USB通信方案

我的博客主页开设有FPGA驱动USB通信专栏，里面全是FPGA驱动USB通信的工程源码及博客介绍；既有基于USB2.0也有USB3.0方案；包括USB2.0/3.0测速试验、USB2.0/3.0视频采集传输试验、USB2.0/3.0视频采集+图像处理后传输试验等等；所有工方案均包括FPGA工程和QT上位机源码；专栏地址链接如下：
点击直接前往

本博已有的FPGA实现UVC图传方案

我的博客主页开设有FPGA实现UVC图传专栏，里面全是FFPGA实现UVC图传的工程源码及博客介绍；既有基于USB2.0 UVC，也有USB3.0 UVC方案；既有基于CYUSB3014的UVC物理层方案，也有基于FT602的UVC物理层方案；专栏地址链接如下：
点击直接前往

本博已有的 GT 高速接口解决方案

我的主页有FPGA GT 高速接口专栏，该专栏有 GTP 、 GTX 、 GTH 、 GTY 等GT 资源的视频传输例程和PCIE传输例程，其中 GTP基于A7系列FPGA开发板搭建，GTX基于K7或者ZYNQ系列FPGA开发板搭建，GTH基于KU或者V7系列FPGA开发板搭建，GTY基于KU+系列FPGA开发板搭建；以下是专栏地址：
点击直接前往

3、详细设计方案

设计原理框图

以2路视频缩放拼接工程为例，设计原理框图如下：

输入Sensor之-->OV5640摄像头

输入Sensor是本工程的输入设备，其一为OV5640摄像头，此外本博主在工程中还设计了动态彩条模块，彩条由FPGA内部逻辑产生，且是动态移动的，完全可模拟Sensor，输入源选择Sensor还是彩条，通过Sensor模块的顶层参数配置，默认选择Sensor输入；Sensor模块如下：

SENSOR_TYPE=0；则输出OV5640摄像头采集的视频；

SENSOR_TYPE=1；则输出动态彩条的视频；

OV5640摄像头需要i2c初始化配置，本设计配置为1280x720@30Hz分辨率，本设计提供纯verilog代码实现的i2c模块实现配置功能；此外，OV5640摄像头还需要图像采集模块实现两个时钟输出一个RGB565的视频转换为一个时钟输出一个RGB888视频，本设计提供纯verilog代码实现的图像采集模块实现配置功能；动态彩条则由FPGA内部逻辑实现，由纯verilog代码编写；将OV5640摄像头配置采集和动态彩条进行代码封装，形成helai_OVsensor.v的顶层模块，整个模块代码架构如下：

输入Sensor之-->ADV7611芯片解码的HDMI

输入Sensor是本工程的输入设备，其二为板载的HDMI输入接口；输入源为板载的HDMI输入接口或动态彩条，分辨率为1920x1080@60Hz，使用笔记本电脑接入HDMI输入接口，以模拟输入Sensor；HDMI解码方案为芯片解码，使用ADV7611，可将输入的HDMI视频解码为RGB888视频；FPGA纯verilog实现的i2c配置模块完成对ADV7611芯片的配置，分辨率配置为1920x1080@60Hz；可以通过Sensor模块的顶层参数配置，默认选择Sensor输入；Sensor模块如下：

SENSOR_TYPE=0；则输出HDMI接口采集的视频；

SENSOR_TYPE=1；则输出动态彩条的视频；

整个模块代码架构如下：

视频数据组包

由于视频需要在GTP 中通过aurora 8b/10b协议收发，所以数据必须进行组包，以适应aurora 8b/10b协议标准；视频数据组包模块代码位置如下：

首先，我们将16bit的视频存入FIFO中，存满一行时就从FIFO读出送入GTP发送；在此之前，需要对一帧视频进行编号，也叫作指令，GTP组包时根据固定的指令进行数据发送，GTP解包时根据固定的指令恢复视频的场同步信号和视频有效信号；当一帧视频的场同步信号上升沿到来时，发送一帧视频开始指令 0，当一帧视频的场同步信号下降沿到来时，发送一帧视频开始指令 1，视频消隐期间发送无效数据 0 和无效数据 1，当视频有效信号到来时将每一行视频进行编号，先发送一行视频开始指令，在发送当前的视频行号，当一行视频发送完成后再发送一行视频结束指令，一帧视频发送完成后，先发送一帧视频结束指令 0，再发送一帧视频结束指令 1；至此，一帧视频则发送完成，这个模块不太好理解，所以我在代码里进行了详细的中文注释，需要注意的是，为了防止中文注释的乱序显示，请用notepad++编辑器打开代码；指令定义如下：

注意！！！指令可以任意更改，但最低字节必须为bc；

基于GTP高速收发器的视频传输架构

本设计使用GTP高速收发器传输视频，使用Aurora8B10B编解码协议，搭建基于GTP高速收发器的视频传输架构，包括视频数据组包模块、GTP IP核配置调用、接收数据对齐模块、视频数据解包模块等部分，总体代码架构如下：

基于GTP高速收发器的视频传输架构顶层接口核参数配置如下：

本设计共例化了2路GTP，所以2路GTP的收发回环方式也做了灵活的参数化配置，如果你只需要1路GT，则可删除另一路，如果你想例化更多路GT，则可根据上述设计方法扩展，十分方便；

GTP高速收发器--IP核简介

关于GTP介绍最详细的肯定是Xilinx官方的《ug482_7Series_GTP_Transceivers》，我们以此来解读：《ug482_7Series_GTP_Transceivers》的PDF文档我已放在了资料包里；我用到的开发板FPGA型号为Xilinx--Artix7系列FPGA；带有4路GTP资源，每通道的收发速度为500 Mb/s到6.6 Gb/s之间。GTP收发器支持不同的串行传输接口或协议，比如8b/10b编解码、PCIE /2.0接口、万兆网 XUAI 接口、OC-48、串行 RapidIO 接口、 SATA(Serial ATA) 接口、数字分量串行接口(SDI)等等；

GTP高速收发器--基本结构

Xilinx 以 Quad 来对串行高速收发器进行分组，四个串行高速收发器和一个 COMMOM（QPLL）组成一个 Quad，每一个串行高速收发器称为一个 Channel(通道），下图为四路 GTP 收发器在Artix7系列FPGA 芯片中的示意图；《ug482_7Series_GTP_Transceivers》第13页；GTP 的具体内部逻辑框图如下所示，它由四个收发器通道 GTPE2_CHANNEL原语 和一个GTPE2_COMMON 原语 组成。每路 GTPE2_CHANNEL 包含发送电路 TX 和接收电路 RX；《ug482_7Series_GTP_Transceivers》第14页；每个 GTPE2_CHANNEL 的逻辑电路如下图所示：《ug482_7Series_GTP_Transceivers》第15页；

GTPE2_CHANNEL的发送端和接收端功能是独立的，均由 PMA(Physical Media Attachment，物理媒介适配层)和 PCS(Physical Coding Sublayer，物理编码子层)两个子层组成。其中 PMA 子层包含高速串并转换(Serdes)、预/后加重、接收均衡、时钟发生器及时钟恢复等电路。PCS 子层包含Aurora8B10B编解码、缓冲区、通道绑定和时钟修正等电路。

这里说多了意义不大，因为没有做过几个大的项目是不会理解这里面的东西的，对于初次使用或者想快速使用者而言，更多的精力应该关注IP核的调用和使用，后面我也会重点将到IP核的调用和使用；

GTP高速收发器--数据收发处理流程

首先用户逻辑数据经过Aurora8B10B编码后，进入一个发送缓存区（Phase Adjust FIFO），该缓冲区主要是 PMA 子层和 PCS 子层两个时钟域的时钟隔离，解决两者时钟速率匹配和相位差异的问题，最后经过高速 Serdes 进行并串转换(PISO)，有必要的话，可以进行预加重(TX Pre-emphasis)、后加重。值得一提的是，如果在 PCB 设计时不慎将 TXP 和 TXN 差分引脚交叉连接，则可以通过极性控制(Polarity)来弥补这个设计错误。接收端和发送端过程相反，相似点较多，这里就不赘述了，需要注意的是 RX 接收端的弹性缓冲区，其具有时钟纠正和通道绑定功能。这里的每一个功能点都可以写一篇论文甚至是一本书，所以这里只需要知道个概念即可，在具体的项目中回具体用到，还是那句话：对于初次使用或者想快速使用者而言，更多的精力应该关注IP核的调用和使用。

GTP高速收发器--参考时钟

GTP 模块有两个差分参考时钟输入管脚(MGTREFCLK0P/N 和 MGTREFCLK1P/N），作为 GTP模块的参考时钟源，用户可以自行选择。一般的A7系列开发板上，都有一路 125Mhz 的 GTP 参考时钟连接到 MGTREFCLK0/1上，作为 GTP 的参考时钟。差分参考时钟通过IBUFDS 模块转换成单端时钟信号进入到 GTPE2_COMMOM 的 PLL0 和 PLL1 中，产生 TX 和 RX 电路中所需的时钟频率。TX 和 RX 收发器速度相同的话，TX 电路和 RX 电路可以使用同一个 PLL 产生的时钟，如果 TX 和 RX收发器速度不相同的话，需要使用不同的 PLL 时钟产生的时钟。参考时钟这里Xilinx给出的GT参考例程已经做得很好了，我们调用时其实不用修改；GTP 的参考时钟结构图如下：《ug482_7Series_GTP_Transceivers》第21页；

GTP高速收发器--发送接口

《ug482_7Series_GTP_Transceivers》的第75到123页详细介绍了发送处理流程，其中大部分内容对于用户而言可以不去深究，因为手册讲的基本都是他自己的设计思想，留给用户可操作的接口并不多，基于此思路，我们重点讲讲GTP例化时留给用户的发送部分需要用到的接口；用户只需要关心发送接口的时钟和数据即可，以例化2路GTP为例，经本博主优化，用户只需要关心如下GTP发送接口即可快速使用GTP；

GTP高速收发器--接收接口

《ug482_7Series_GTP_Transceivers》的第125到213页详细介绍了发送处理流程，其中大部分内容对于用户而言可以不去深究，因为手册讲的基本都是他自己的设计思想，留给用户可操作的接口并不多，基于此思路，我们重点讲讲GTP例化时留给用户的发送部分需要用到的接口；用户只需要关心接收接口的时钟和数据即可，以例化2路GTP为例，经本博主优化，用户只需要关心如下GTP接收接口即可快速使用GTP；

GTP高速收发器--IP核调用和使用

GTP IP核配置调用在工程种位置如下：

GTP IP核调用和使用很简单，通过vivado的UI界面即可完成，如下：

有别于网上其他博主的教程，我个人喜欢用如下图的共享逻辑：这样选择的好处有两个，一是方便DRP变速，二是便于IP核的修改，修改完IP核后直接编译即可，不再需要打开example工程，再复制下面的一堆文件放到自己的工程什么的，玩儿个GTP需要那么复杂么？

这里对上图的标号做解释：

1：线速率，根据自己的项目需求来，GTP的范围是0.5到6.25G，由于我的项目是视频传输，所以在GTP的速率范围内均可，为了通用性，我在vivado工程中配置为5G；

2：参考时钟，这个得根据你的原理图来，可以是80M、125M、148.5M、156.25M等等，我的开发板是125M；

4：GTP组的绑定，这个很重要，他的绑定参考依据有两个，已是你的开发板原理图，而是官方的参考资料《ug482_7Series_GTP_Transceivers》，官方将GTP资源分成了4组，名字分别为X0Y0、X0Y1、X0Y2、X0Y3，由于GT资源是Xilinx系列FPGA的专用资源，占用专用的Bnak，所以引脚也是专用的，那么这些GTP组和引脚是怎么对应的呢？《ug482_7Series_GTP_Transceivers》的说明如下：红框内为的我的开发板原理图对应的FPGA引脚；

我的板子原理图如下：

选择外部数据位宽32bit的Aurora8B10B编解码，如下：

下面这里讲的是K码检测：

这里选择K28.5，也就是所谓的COM码，十六进制为bc，他的作用很多，可以表示空闲乱序符号，也可以表示数据错位标志，这里用来标志数据错位，Aurora8B10B协议对K码的定义如下：

下面讲的是时钟矫正，也就是对应GTP内部接收部分的弹性buffer；

这里有一个时钟频偏的概念，特别是收发双方时钟不同源时，这里设置的频偏为100ppm，规定每隔5000个数据包发送方发送一个4字节的序列，接收方的弹性buffer会根据这4字节的序列，以及数据在buffer中的位置来决定删除或者插入一个4字节的序列中的一个字节，目的是确保数据从发送端到接收端的稳定性，消除时钟频偏的影响；

数据对齐

由于GT资源的Aurora8B10B数据收发天然有着数据错位的情况，所以需要对接受到的解码数据进行数据对齐处理，数据对齐模块代码位置如下：

我定义的 K 码控制字符格式为：XX_XX_XX_BC，所以用一个rx_ctrl 指示数据是否为 K 码 的 COM 符号；

rx_ctrl = 4'b0000 表示 4 字节的数据没有 COM 码；

rx_ctrl = 4'b0001 表示 4 字节的数据中 7: 0 为 COM 码；

rx_ctrl = 4'b0010 表示 4 字节的数据中15: 8 为 COM 码；

rx_ctrl = 4'b0100 表示 4 字节的数据中23:16 为 COM 码；

rx_ctrl = 4'b1000 表示 4 字节的数据中31:24 为 COM 码；

基于此，当接收到有K码时就对数据进行对齐处理，也就是将数据打一拍，和新进来的数据进行错位组合，这是FPGA的基础操作，这里不再赘述；数据对齐模块顶层接口如下：

视频数据解包

数据解包是数据组包的逆过程，代码位置如下：

GTP解包时根据固定的指令恢复视频的场同步信号和视频有效信号；这些信号是作为后面图像缓存的重要信号；由于数据解包是数据组包的逆过程，所以这里不再过多赘述，视频数据解包模块顶层接口如下：

图像缓存

图像缓存方案采用纯verilog实现，缓存介质为DDR3/4；

图像缓存架构实现的功能是将输入视频缓存到板载DDR中再读出送后续模块，目的是实现视频同步输出，实现输入视频到输出视频的跨时钟域问题，更好的呈现显示效果；由于调用了Xilinx官方的MIG作为DDR控制器，所以FDMA图像缓存架构就是实现用户数据到MIG的桥接作用；架构如下：

图像缓存架构代码如下：

图像缓存架构由FDMA控制器+FDMA组成；FDMA实际上就是一个AXI4-FULL总线主设备，与MIG对接，MIG配置为AXI4-FULL接口；FDMA控制器实际上就是一个视频读写逻辑，以写视频为例，假设一帧图像的大小为M×N，其中M代表图像宽度，N代表图像高度；FDMA控制器每次写入一行视频数据，即每次向DDR中写入M个像素，写N次即可完成1帧图像的缓存，读视频与之一样；同时调用两个FIFO实现输入输出视频的跨时钟域处理，使得用户可以AXI4内部代码，以简单地像使用FIFO那样操作AXI总线，从而达到读写DDR的目的，进而实现视频缓存；本设计图像缓存方式为3帧缓存；

图像缓存使用Xilinx vivado的Block Design设计，如下图：

关于FDMA更详细的介绍，请参考我之前的博客，博文链接如下：
点击直接前往

视频读取控制

FDMA图像缓存架构使用VGA时序模块完成视频读取控制，VGA时序模块负责产生VGA时序，他有两个作用，一是控制FDMA控制器从DDR3中读出缓存的视频，二是将同步后的VGA视频送入下一级的UVC图像处理模块，VGA时序模块代码架构如下：

RGB888转YUV422

根据UVC协议，UVC传输视频格式为YUV422，所以需将RGB888转为YUV422。本设计提供纯verilog实现的RGB888转YUV422模块，如下：

UVC图像处理

UVC图像处理模块主要实现图像缓冲、数据接口转换和时序同步等处理，完成UVC协议层，并以标准的FT602用户IO读写时序输出；模块代码架构如下：

UVC图像处理模块顶层接口如下：

FT602芯片

FT602 是 USB-to-FIFO 接口 SuperSpeed USB（USB 3.1 Gen 1）USB 视频类（UVC）桥接芯片具有以下特点：

1：支持 USB 3.1 GEN 1 超高速：（5Gbps）/ USB 2.0 高速（480Mbps）；

2：支持 USB 传输类型：控制/散装/中断；

3：支持 UVC 1.1 版：支持最多 4 个视频输入通道；

4：FIFO 总线：支持 2 个并行从 FIFO 总线协议，245 FIFO 和多通道 FIFO 模式，数据突发速率高达 400MB / s，32 位并行接口；

5：内置 16kB FIFO 数据缓冲 RAM；

6：用于视频设备的内置 I2C 主接口；

7：组态：

7.1：支持多电压 I / O：1.8V，2.5V 和 3.3V；

7.2：内部 LDO 1.0V 稳压器；

7.3：集成的上电复位电路；

7.4：用户可编程 USB 和 UVC 描述符；

7.5：工业工作温度范围：-40 至 85⁰C；

7.6：符合 RoHS 标准的紧凑型无铅 QFN-76 封装；

芯片框图如下：

参考电路如下：

UVC接收显示

UVC视频送入FT602芯片完成UVC物理层；用USB3.0线缆连接开发板至笔记本电脑USB3.0接口；无需安装驱动，直接打开Win10自带的相机软件，即可看到FPGA采集发来的图像。如下：

工程源码架构

本博客提供4套工程源码，以工程源码1为例，vivado Block Design设计如下，其他工程与之类似：

本博客提供4套工程源码，以工程源码1为例，使工程源码架构如下，其他工程与之类似：

4、vivado工程源码1详解-->Artix7-35T，OV5640光编码转UVC

开发板FPGA型号：Xilinx--Artix7--xc7a35tfgg484-2；

FPGA开发环境：Vivado2019.1；

输入：OV5640摄像头或动态彩条，分辨率1280x720@30Hz；

输出：USB3.0 UVC，分辨率1280x720@60Hz；

高速收发器类型：Xilinx--GTP高速收发器，线速率5Gbps；

高速收发器编解码：Aurora8B10B编解码；

图像缓存方案：纯verilog方案，DDR3做介质，图像3帧缓存；

USB3.0 UVC协议层方案：纯逻辑实现；

USB3.0 UVC物理层方案：FT602芯片；

工程作用：让读者掌握FPGAFPGA实现GTP光口视频转USB3.0 UVC输的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；

工程Block Design和工程代码架构请参考第4章节的《工程源码架构》小节内容；

工程的资源消耗和功耗如下：

5、vivado工程源码2详解-->Artix7-35T，HDMI光编码转UVC

开发板FPGA型号：Xilinx--Artix7--xc7a35tfgg484-2；

FPGA开发环境：Vivado2019.1；

输入：HDMI（笔记本输入模拟Sensor）或动态彩条，分辨率1920x1080@60Hz；

输出：USB3.0 UVC，分辨率1920x1080@60Hz；

高速收发器类型：Xilinx--GTP高速收发器，线速率5Gbps；

高速收发器编解码：Aurora8B10B编解码；

图像缓存方案：纯verilog方案，DDR3做介质，图像3帧缓存；

USB3.0 UVC协议层方案：纯逻辑实现；

USB3.0 UVC物理层方案：FT602芯片；

工程作用：让读者掌握FPGAFPGA实现GTP光口视频转USB3.0 UVC输的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；

工程Block Design和工程代码架构请参考第4章节的《工程源码架构》小节内容；

工程的资源消耗和功耗如下：

6、vivado工程源码3详解-->Artix7-100T，OV5640光编码转UVC

开发板FPGA型号：Xilinx--Artix7--xc7a100tfgg484-2；

FPGA开发环境：Vivado2019.1；

输入：OV5640摄像头或动态彩条，分辨率1280x720@30Hz；

输出：USB3.0 UVC，分辨率1280x720@60Hz；

高速收发器类型：Xilinx--GTP高速收发器，线速率5Gbps；

高速收发器编解码：Aurora8B10B编解码；

图像缓存方案：纯verilog方案，DDR3做介质，图像3帧缓存；

USB3.0 UVC协议层方案：纯逻辑实现；

USB3.0 UVC物理层方案：FT602芯片；

工程作用：让读者掌握FPGAFPGA实现GTP光口视频转USB3.0 UVC输的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；

工程Block Design和工程代码架构请参考第4章节的《工程源码架构》小节内容；

工程的资源消耗和功耗如下：

7、vivado工程源码4详解-->Artix7-100T，HDMI光编码转UVC

开发板FPGA型号：Xilinx--Artix7--xc7a100tfgg484-2；

FPGA开发环境：Vivado2019.1；

输入：HDMI（笔记本输入模拟Sensor）或动态彩条，分辨率1920x1080@60Hz；

输出：USB3.0 UVC，分辨率1920x1080@60Hz；

高速收发器类型：Xilinx--GTP高速收发器，线速率5Gbps；

高速收发器编解码：Aurora8B10B编解码；

图像缓存方案：纯verilog方案，DDR3做介质，图像3帧缓存；

USB3.0 UVC协议层方案：纯逻辑实现；

USB3.0 UVC物理层方案：FT602芯片；

工程作用：让读者掌握FPGAFPGA实现GTP光口视频转USB3.0 UVC输的设计能力，以便能够移植和设计自己的项目；

工程Block Design和工程代码架构请参考第4章节的《工程源码架构》小节内容；

工程的资源消耗和功耗如下：

8、工程移植说明

vivado版本不一致处理

1：如果你的vivado版本与本工程vivado版本一致，则直接打开工程；

2：如果你的vivado版本低于本工程vivado版本，则需要打开工程后，点击文件-->另存为；但此方法并不保险，最保险的方法是将你的vivado版本升级到本工程vivado的版本或者更高版本；

3：如果你的vivado版本高于本工程vivado版本，解决如下：

打开工程后会发现IP都被锁住了，如下：

此时需要升级IP，操作如下：

FPGA型号不一致处理

如果你的FPGA型号与我的不一致，则需要更改FPGA型号，操作如下：

更改FPGA型号后还需要升级IP，升级IP的方法前面已经讲述了；

其他注意事项

1：由于每个板子的DDR不一定完全一样，所以MIG IP需要根据你自己的原理图进行配置，甚至可以直接删掉我这里原工程的MIG并重新添加IP，重新配置；

2：根据你自己的原理图修改引脚约束，在xdc文件中修改即可；

3：纯FPGA移植到Zynq需要在工程中添加zynq软核；

9、上板调试验证

准备工作

需要准备的器材如下：

FPGA开发板；

OV5640摄像头或ADV7611转接板：

FT602转接板（FPGA开发板板载FT602芯片的除外）；

笔记本电脑或者PC主机；

USB3.0数据线；

SFP光模块和光纤；

我的开发板连接如下：

UVC详细测试步骤

第1步：

用USB3.0线缆连接FPGA开发板至PC端电脑的USB3.0接口；

！！！注意！！！注意！！！注意

USB线一定要是3.0的，区别方法是USB口内部的塑料件是蓝色的，对应的，电脑的USB口也必须是3.0的；

USB线与电脑连接，一定要是直连，不能有转接的HUB，也就是开发板与电脑USB口直连；

第2步：

下载工程的bit文件至FPGA开发板，如下：

第3步：

打开我的电脑-->管理-->设备管理器-->. 照相机，可以看到FT602的UVC设备，如下：

第4步：

打开Win10自带的相机APP，如下：

此时，我们并不能看到图像，需要设置一下相机默认的分辨率，如下：

如果我们下载的是OV5640摄像头转UVC的工程bit，那么UVC分辨率就是1280x720@60Hz，此时UVC分辨率设置如下：

如果我们下载的是HDMI摄像头转UVC的工程bit，那么UVC分辨率就是1920x1080@60Hz，此时UVC分辨率设置如下：

以下载彩条视频工程为例，此时我们可以看到图像，如下：

以下载OV5640摄像头工程为例，此时我们可以看到图像，如下：

以下载HDMI输入工程为例，此时我们可以看到图像，如下：

UVC视频录制本地保存

基于Win10自带APP的强大功能，我们还可以用相机的录制功能，将采集到的视频保存到本地，点击录制，如下：

录制完成后，系统自动保存视频，点击如下位置查看：

并可点击播放录制的视频，如下：

Win10自带APP功能强大，除了录制外，还有拍照等其他功能，期待你的进一步应用开发。

USB3.0 UVC 视频传输效果演示

USB3.0 UVC 视频传输效果演示如下：

FPGA基于FT602实现USB3.0 UVC 视频传输

12、工程代码的获取

代码太大，无法邮箱发送，以某度网盘链接方式发送。

资料获取方式：文章末尾的V名片。

网盘资料如下：

此外，有很多朋友给本博主提了很多意见和建议，希望能丰富服务内容和选项，因为不同朋友的需求不一样，所以本博主还提供以下服务：