原创 【FPGA】Xiinx 7系列FPGA收发器架构之收发器和工具概述（一）

我从之前就关注一个工程师分享有关于FPGA的资料，陆陆续续也记录收藏了不少，这次分享给大家共同学习和进步吧

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引言： 高速串行收发器在5G通信、机器视觉、图像处理及数据中心等众多领域广泛应用，FPGA开发人员熟练掌握该接口使用能够提升自己的专业竞争力。本系列文章针对Xilinx 7系列FPGA GTX/GTH收发器的架构进行介绍，参考文档主要为官方UG476。作为系列开篇，本博文主要对GTX/GTH收发器进行总体概述。通过该文档，了解以下内容：

GTX/GTH收发器的特性，支持的协议

GTX/GTH收发器的整体框架结构

GTX/GTH收发器的实现需要做哪些工作

GTX/GTH收发器在器件封装的布局

1. 概述及7系列FPGAG特性

1.1 收发器速率及特性

Xilinx公司的收发器主要包括以下四种，如图1所示。四种收发器支持的最大线速率不同，每种收发器位于的器件也不同。

图1、Xilinx 7系列FPGA收发器种类

GTX/GTH收发器具有高度可配置性，并与FPGA的可编程逻辑资源紧密集成。7系列FPGA GTX/GTH收发器特性如表1-1所示。

表1-1：FPGA GTX/GTH收发器特性

首次使用收发器的开发者推荐阅读《High-Speed Serial I/O Made Simple》（有需要的可以关注私信我，中文版）文献，其描述了高速串行收发器技术和应用。Xilinx开发工具CORE Generator™工具提供了一个自动配置GTX/GTH收发器向导（如图6），可以实现不同协议的用户应用。

图1举例了XC7K325T器件GTX收发器布局，该系列器件具有16个收发器。图中只显示了TOP部分的8个收发器，BOT部分还有对称的8个收发器。

图2、XC7K325T器件GTX收发器布局（点击看大图）

在Xilinx FPGA中，收发器按照Quad进行组织结构。4个GTXE2_CHANNEL原句和一个GTXE2_COMMON原句成为一个Quad。图3举例了一个Quad内收发器结构。

图3、Quad内收发器结构（点击看大图）

图4给出了GTXE2_CHANNEL原句内部结构，从图中可以看到收发器通道包括发送（TX）和接收（RX）两部分，对于该部分内容详细介绍，将在后续文章介绍。

图4、GTXE2_CHANNEL原句内部结构（点击看大图）

1.2收发器IP核支持的常见协议

IP核支持的常见协议如图5所示。

图5、IP核支持的常见协议

2. FPGA收发器向导

7系列FPGAs收发器向导（以下称为向导）是生成封装文件（wrapper）以及实例化GTX/GTH收发器原语的首选工具。向导位于CORE Generator™工具中。

图6、GTX/GTH收发器向导

3. 仿真

该部分内容，在后续收发器设计实例相关文章中，会给大家做详细介绍，本概述中暂不介绍。

4. 实现

4.1 功能描述

在设计早期定义GTX/GTH收发器Quad的位置是推荐的设计原则，以确保时钟资源的正确使用，并便于在电路板设计期间进行信号完整性分析。实现过程通过在XDC中使用位置约束来完成Quad位置分配验证。

该部分介绍映射7系列GTX/GTH收发器到器件资源所需的信息，主要包括三部分：

GTX/GTH收发器Quad在可用器件和封装的位置

GTX/GTH收发器Quad外部信号的pad编号

如何使用XDC文件约束GTX/GTH收发器

通道原句和时钟资源到可用位置

每个GTX/GTH收发器信道和COMMON原语的位置由描述列号和该列内相对位置的XY坐标系指定（如图7）。目前所有的7系列器件家族中，GTX/GTH收发器Quads都位于单一的列中，并且位于芯片Die的一侧。

图7、收发器在FFG900封装布局

有两种方法可以为GTX/GTH收发器的创建XDC约束：

首选方法是使用7系列FPGAs收发器向导。向导会自动生成XDC模板，然后可以编辑向导生成的XDC，以自定义应用程序的操作参数和放置信息。

第二种方法是手工创建XDC约束。使用此方法时，设计者必须输入控制收发器操作的配置属性以及位置参数。必须注意确保正确输入配置GTX/GTH收发器所需的所有参数。

4.2 串行收发器器件封装

该部分内容可以参照官方UG475文档，7 Series FPGAs Packaging and Pinout Specification，该文档描述了Xilinx器件管脚命名规则，器件信号布局等封装信息，对于FPGA原理图及PCB设计人员具有非常重要的作用。图7和图8位该文档重要信息举例。

图7、收发器Bank举例

图8、收发器Pinout封装布局举例