FPGA 光通信开发——Aurora 64B/66B 使用指南

1.1.2 复位

复位接口为 pma_init 和 reset_pb，高电平复位释放前要求 INIT_CLK 和 REFCLK 保持稳定；先释放 pma_init（gt_reset），后释放 reset_pb（reset）。reset_pb 的释放同步于 USER_CLK，pma_init 复位信号同步于 INIT_CLK。

pma_init 的复位会重置收发器的所有物理编码子层 (PCS) 和物理介质附件 (PMA) 子组件，即会先复位高速收发器，后复位内核逻辑。而 reset_pb 只会复位内核逻辑，不会复位底层的高速收发器。先释放 pma_init，后释放 reset_pb。

不同模式下，复位时序不一样，本文只介绍双工模式的复位时序：上电阶段复位、其他复位。

双工模式下的正常复位时序如上图所示，先把 reset_pb 拉高 128 个时钟周期，然后再拉高 pma_init 一段时间。之后先拉低 pma_init，最后拉低 Reset_pb 信号。

如下图所示：双工模式下 reset_pb 拉高的最短时间为 128 个 user_clk 周期。经过一段时间后，channel_up 被拉低，表示传输通道建立失效。

如下图所示：双工模式下的 pma_init（gt_reset）复位时序，pma_init 至少拉高 128 个 init_clk 周期。经过一些时钟周期后，user_clk 会暂停产生时钟（因为 user_clk 的时钟来源是 GT 收发器 txoutclk，pma_init 复位从底层的物理层复位）。随后拉低 channel_up 信号，表示传输通道建立失效。

1.1.3 初始化

初始化过程如下：

Lane up 表示通道中的哪些通道已完成通道初始化。仅当所有通道和内部逻辑完成整个初始化过程后，channel_up 才会被拉高。Aurora 64B/66B 内核可以在 Channel_up 拉高之前接收数据，但 Channel_up 拉高之前不能发送数据，可把 Channel_up 取反用作全双工模式下发送端的复位信号。

1.1.4 控制及状态接口

• loopback：回环模式，实际使用一般接到 0；
  • 000：normal
  • 001: Near-end PCS Loopback
  • 010: Near-end PMA Loopback
  • 100: Far-end PMA Loopback
  • 110: Far-end PCS Loopback
• 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。使用的时一般直接拉低。
• pll_not_locked：接 ~pll_locked

• lane_up："1"状态指示各通道初始化成功，每位代表一个通道
• channel_up："1"状态指示通道初始化完成，通道已准备好进行数据传输
• hard_err：主要是硬件类错误
• soft_err：主要是软件类错误
• frame_err：当前通道帧协议错误

1.1.5 数据接口

该核支持两类数据接口：

• Framing 接口：在 AXI4-Stream 的基础上 IP 核自动加入帧头、帧尾，并在固定时间内完成时钟补偿，但是会降低传输效率和使用较多资源。
• Streaming 接口：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。

本文只介绍 Frame 类型接口，即用户接口类型为 AXIS 模式。由于 64B/66 编码，aurora 的设计上在发送端需要 ready 信号握手。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。

当 s_axi_tx_tready 反压与 s_axi_tx_tvalid 握手成功后，即可发送数据，使用 s_axi_tx_tlast 来表示当前发送最后一个数据，s_axi_tx_tkeep 来表示最后一个数据的有效字节。

接收数据：当 m_axi_rx_tvalid 为高时，接收的数据是有效数据，可以拿来用了，m_axi_rx_tkeep 与 m_axi_rx_tlast 的用法与发送端对应的信号一致。

1.2 IP 核配置

根据本人开发板原理图配置如下：

• GT Refclk：GT 参考时钟，板子时钟为 156.25Mhz
• Lane Rate：以 10.3125Gbps 作为测试
• INIT clk：初始化时钟，根据工程自行选择设计
• GT 位置及 lane 数目：根据板子原理图设计
• Dataflow Mode：选择全双工
• Interface：Framing 类型
• 流控：不使用

• Little Endian support：小端数据（小端：[15:0] 大端：[0:15]）
• 动态重配置接口类型
• Debug 信号
• CRC 功能

• Shared Logic：设置 IP 的逻辑放置的位置，如果 GT REFCLK 没被别的 serdes 使用，两种模式都行，否则建议 In example design 模式。
  • In core：在 IP 核内：support、复位、时钟等逻辑包含在 ip 内
  • In example design：在例子中，support、复位、时钟等逻辑都在 ip 外

1.3 参考例子

主要参考 support、复位、时钟的使用。

• support 模块：包含了对时钟、复位、IP 等的例化处理等一系列操作；在应用中此部分可不需要修改。
• frame_gen 数据生成模块：采用 LFSR 的方式生成伪随机序列；在实际工程中替换为自己的数据模块即可。
• frame_check 数据检验模块：对接收的数据进行检验以验证传输的正确性；在实际工程中替换为自己的数据模块即可。

二、工程设计、测试

2.1 工程设计

按照上述配置的上进行设计，收发数据流程为，当 Channel_up 拉高后，可通过 VIO 使能控制 data_test_module 测试数据模块产生测试数据。

data_test_module：当 FIFO 非空时写入递增数据，根据 AXIS 接口的 ready 反压信号读 FIFO 到 Aurora IP 核。

2.2 仿真测试

对上述工程进行自回环收发仿真测试：

初始化及收发过程：

复位关系、状态信号：

发数据：ready 和 valid

收数据主要关注 data、valid、last、keep 等信号。

2.3 上板测试

通过 VIO 使能控制 data_test_module 测试数据模块产生测试数据。

接收到的数据：与发送数据一一对应。

三、总结

Aurora 64B/66B 协议在 FPGA 光通信中应用广泛，通过合理配置 IP 核参数、遵循复位时序规范以及正确连接数据接口，可实现稳定的高速数据传输。