Xilinx高速收發器GTX/GTH的2D眼圖測量功能

本文介紹Xilinx GT的一些概念，對GT沒有概念但是有時間的童鞋推薦先看一下此文（Xilinx 7系列FPGA 高速收發器GTX/GTH的一些基本概念），補充一些基礎概念。

隨著高速數據傳輸的普及，Serdes已經成為FPGA上重要的I/O接口。而線速率也不斷的提高。更高的線速率也就帶來了更大的通道衰減影響。通常，Serdes接收端需要打開內部的均衡來對高速串行信號進行處理，保證內部的有效信號能夠等到放大而噪聲可以被抑制，并最終恢復出正確的數據。

通常，高速信號到達接收端的Pin位置，稱為遠端；進入Pin后，被接收端的均衡處理之后的信號，稱為近端。在一些均衡能力比較優秀的Serdes上（例如Xilinx的GTX/GTH），遠端處的眼圖（可以通過高速示波器進行測量）無法睜開，但是近端處的眼圖可以完全睜開。這就是均衡器無法忽視的重要作用。

這也帶來一個問題，就是如何測量眼圖。針對遠端眼圖，可以通過高速示波器來進行測量。但是這個測量在很多情況下并不容易，比如沒有足夠高速的示波器，或者由于FPGA多為BGA封裝導致Serdes的RX Pin沒有合適的測試點來進行測試。而近端眼圖，由于近端的定義就是在Serdes的PMA內部，所以沒有使用高速示波器直接測量眼圖的可能。那么如何評價近端眼圖，就成了一個問題。

Xilinx 7系列（及以后）的GTX/GTH中提供了2D眼圖測量的功能，通常稱呼為2D eye scan，可以用來測量近端眼圖。Xilinx提供的GT測試工具ibert中，就是利用這個功能進行眼圖的測量。

圖片來自UG908

關于GT的基本結構和eye scan的具體原理，由于文檔已經做了充分的描述，這里就不重復贅述了。下文將會用簡單通俗的語言來描述2D eye scan的基本原理，出發點是易于理解。所以在準確性和嚴謹程度上肯定有所欠缺，這里先說一聲抱歉。

從字面分析，2D eye scan的意思就是二維眼圖掃描。二維的意思自然是橫縱兩個坐標。所以眼圖掃描的基本原理就是將二維眼圖的最大范圍坐標化，將眼圖整體變為一個二維矩陣區域。

眼圖掃描的過程就是依次遍歷眼圖的二位矩陣區域，并和眼圖掃描的正中間區域做對比，記錄錯誤值，然后依據錯誤值，用不同的顏色來繪制當前二位矩陣中某個點，最終組成一個眼圖。

用更通俗的話來解釋，就是眼圖被劃分為一個分辨率是N*M的圖片。測量眼圖的時候會依次遍歷N*M個點，并和中心點的數據做對比。多次對比后記錄值不一樣的次數，即誤碼率。當遍歷完N*M個點之后，依據每個點記錄的誤碼率來用不同的顏色繪制一副圖，即為眼圖。

圖片來自UG476

從上圖的左邊可以看到，每一個點相對中心點都有一個水平偏移量和垂直偏移量，這就等價于每個點的坐標值（至于0，0點在左下角還是在中心點都只是簡單的坐標變換而已）。

從圖中的右邊可以看到，最終眼圖的顏色是依據誤碼率繪制的，結合前文來自UG908的截圖，可以清楚的看到當誤碼率越低，顏色越偏向藍色（深藍色）；當誤碼率越高，顏色越偏向紅色。理論上，越接近中心的點，誤碼率越低，所以越偏藍色，而越接近外圍的點，誤碼率越高，所以越偏紅色。所以實際獲取的眼圖樣子，是中心藍色，四周紅色的眼圖。

所以從原理上說，2D眼圖的測量步驟其實是遍歷整個N*M的點陣，計算每一個點與中心點數據值的誤碼率。當得到點陣誤碼率的數據之后，后面僅僅是繪圖以便美觀顯示的事情。

具體的測量細節可以參考UG476的第四章。這里直接給出結論，內置的2D eye scan是逐個點進行測量的，所以每次測量只需一組坐標值。從微觀看來，逐點測量由于是串行的，所以是比較慢的。但是從宏觀來看，整體測量速度是比較快速的。

另外一個優點就是，眼圖的測量不需要特殊的配置和數據，也不會對數據鏈路帶來任何負面影響。由于是和中心點數據的對比，所以無論GT跑的是什么數據流，都可以進行測量，也沒有影響。這就擴展了這一功能的使用范圍。例如ibert的誤碼率只能統計PRBS，無法用于實際數據的統計/測試。而這一功能可以實時測試，不影響GT正常業務的運行。將這一功能集成到最終版本中，可以作為實時監控高速鏈路質量的一個參考標準。

如果GT無法正確回復出數據，則中心點的數據不會穩定。這樣統計出來的結果也不會穩定的顯示為一個眼睛的圖案，而是一個奇怪的圖案。如果GT能正確恢復出數據，那么中心點一定是穩定的數據，所以無論眼圖是否睜開，張開多大，大體的形狀還是一個眼睛的圖案。進而，眼圖張開的大小就代表信號質量的好壞。所以2D eye scan的結果對鏈路信號質量的判斷，是非常有幫助的。

由于是逐點測試，所以這個過程相對來說更適合基于CPU/MCU的軟件來實現。Xilinx提供了兩個XAPP來實現該功能，其核心的控制都是交給MCU軟核MicroBlaze來實現的。

https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp743-e.。。

https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp1198-。。.

下面介紹一下具體的操作步驟。

首先，eye scan的具體操作是需要使用DRP的端口，這一端口也是容易和CPU接口適配的。

使用DRP端口的優點是，主要步驟不占用FPGA可編程邏輯資源。代價是這個結構更適合MCU接口的實現，如果使用普通邏輯資源實現，會需要設計接口。

1.部分默認端口可以直接連接到地，例如：

EYESCANMODE

EYESCANTRIGGER

EYESCANRESET端口如果不需要使用，也是可以連接到地。

2.下面幾個信號設置為1

ES_SCAN_EN

PMA_RSV2［5］

ES_ERRDET_EN

ES_QUAL_MASK=（80’b1）

3.根據位寬（RX_INT_DATAWIDTH）設置ES_SDATA_MASK

40-bit 位寬： ES_SDATA_MASK = （40‘b1， 40’b0）

32-bit位寬： ES_SDATA_MASK = （40‘b1， 32’b0， 8‘b1）

20-bit位寬： ES_SDATA_MASK = （40’b1， 20‘b0， 20’b1）

16-bit位寬： ES_SDATA_MASK = （40‘b1， 16’b0， 24‘b1）

4.根據誤碼率設置ES_PRESCALE，關于這個參數的值，可以暫時跳過，等看完下文，理解原理之后再選擇合適的值寫入。

上述設置只需要設置一次即可。其中要注意，ES_QUAL_MASK和ES_SDATA_MASK都是80bit數據，需要分多次才能寫入。7系列的GTX/GTH，DRP數據位寬為16bit，所以需要5次才能完成80bit的寫入。

開始遍歷每一個點（即每一對橫縱坐標）。橫軸由ES_HORZ_OFFSET控制，縱軸由ES_VERT_OFFSET控制。

1.對每個點，將縱坐標寫入ES_VERT_OFFSET

這里需要注意，ES_VERT_OFFSET和ES_PRESCALE的地址是一樣的，高5bit是給ES_PRESCALE使用，低9位給ES_VERT_OFFSET使用。對于ES_VERT_OFFSET，0-7bit作為地址使用。第8位作為一個控制位，先填入0。DFE條件下后續還需要用到。

2.將橫坐標寫入ES_HORZ_OFFSET

3.將ES_CONTROL的低兩位設置為2’b01

這里需要先讀取出來，然后將低位設置位01，高位不變，再寫入ES_CONTROL寄存器中。

4.循環查詢es_control_status寄存器的值，如果發現最低位是1，表明采樣/記錯計數器溢出了，該點統計完畢（關于兩個計數器的含義，下文在做討論）。此時可以將ES_CONTROL的最低兩位設置為2‘d00，以便于下一個點的測量。

5.讀取ES_ERROR_COUNT和ES_SAMPLE_COUNT寄存器的值，分別為記錯寄存器和采樣寄存器。

6.計算一下誤碼率

誤碼率的計算公式為，誤碼數目 / 采樣數目。

誤碼數目即為ES_ERROR_COUNT的值，如果該值為0，則誤碼率直接為0。

采樣數目的計算則相對負責。具體公式為：

SAMPLE\_COUNT=ES\_SAMPLE\_COUNT imes2^{（ES\_PRESCALE+1）} imes RX\_INT\_DATAWIDTH

可以看到，具體的采樣數和ES_SAMPLE_COUNT的值是有一個非線性的計算關系。

通過上述公式可以計算出采樣數的值，然后參與運算即可獲取誤碼率這一數據。

7.當使用DFE的時候，需要將ES_VERT_OFFSET的第八位設置為1（前文描述設置為0），然后重新測試一邊，計算出另一個誤碼率，和設置為0的誤碼率取一次平均才為最終的誤碼率。

這樣就完成一個點的測試了。

所以測試的大體流程就是先設置好一些固定的參數，然后設置橫縱坐標，開始測試。等測試結束后獲取采樣數和錯誤數兩個值，計算誤碼率即可。DFE模式下需要將縱坐標的一位取反后重新測算一下，然后兩個誤碼率取平均。

這里就能看出來測試的具體細節。內部測試提供了兩個計數器，一個用于統計采樣次數，另一個用于統計錯誤次數。測試過程其實就是進行多次的數據對比。對比一次，采樣次數加1，如果數據不對，則錯誤次數也加1。等到兩個計數器有一個溢出的時候就可以結束統計了。這樣會有兩種情況。

1.錯誤計數器溢出，采樣計數器沒有溢出，此時錯誤值比較大，可以保證精度。

2.采樣計數器溢出，錯誤計數器沒有溢出，此時采樣值比較大，誤碼率往往比較低。

由于兩個技術器溢出值相差非常大，所以不可能同時溢出。如果都沒有溢出，那么測試就不會停止。

用這種方法，可以獲取一個比較好的測試精度結果，也便于測試流程的控制。

另外，理解了這一流程，并觀察采樣值的計算公式，就能反推出ES_PRESCALE比較合適的值。

通過逐點的測量，就可以獲取完整的眼圖數據，然后進行繪圖即可。

2D eye scan的原理就分析完了。

下面分析一下實際操作中的一些問題。

1.ES_PRESCALE：如果確定這個值

這個參數實際控制的是采樣數的計算結果。通常情況下，通過公式反推，選區一個固定值就好。但是實際情況下，如果使用動態的控制，可以提高精度。關于這部分的討論就非常深入了。有興趣的童鞋可以再熟悉2D eye scan之后進行研究。

2.采樣點的數量：一定要逐點嗎

從手冊中可以查詢到ES_HORZ_OFFSET和ES_VERT_OFFSET的范圍。實際操作中，其實并不需要逐點測試。從圖片的角度觸發，逐點（或者點間隔較小）的好處就是圖片的分辨率較高。同時弊端就是花費的時間較長。通常使用中并不需要非常高的眼圖分辨率，尤其是并不需要將眼圖美觀的繪制出來的條件下，適當加大間隔可以快速獲取眼圖的基本信息。依據基本信息再考慮是否提高精度，改變參數等操作，更為合適。ibert中也提供了調整采樣點間隔的選項。

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