一文详解Xilinx GTX/GTH及2D eye scan的基本原理

本文介绍Xilinx GT的一些概念，对GT没有概念但是有时间的童鞋推荐先看一下此文（Xilinx 7系列FPGA 高速收发器GTX/GTH的一些基本概念），补充一些基础概念。

随着高速数据传输的普及，Serdes已经成为FPGA上重要的I/O接口。而线速率也不断的提高。更高的线速率也就带来了更大的通道衰减影响。通常，Serdes接收端需要打开内部的均衡来对高速串行信号进行处理，保证内部的有效信号能够等到放大而噪声可以被抑制，并最终恢复出正确的数据。

通常，高速信号到达接收端的Pin位置，称为远端；进入Pin后，被接收端的均衡处理之后的信号，称为近端。在一些均衡能力比较优秀的Serdes上（例如Xilinx的GTX/GTH），远端处的眼图（可以通过高速示波器进行测量）无法睁开，但是近端处的眼图可以完全睁开。这就是均衡器无法忽视的重要作用。

这也带来一个问题，就是如何测量眼图。针对远端眼图，可以通过高速示波器来进行测量。但是这个测量在很多情况下并不容易，比如没有足够高速的示波器，或者由于FPGA多为BGA封装导致Serdes的RX Pin没有合适的测试点来进行测试。而近端眼图，由于近端的定义就是在Serdes的PMA内部，所以没有使用高速示波器直接测量眼图的可能。那么如何评价近端眼图，就成了一个问题。

Xilinx 7系列（及以后）的GTX/GTH中提供了2D眼图测量的功能，通常称呼为2D eye scan，可以用来测量近端眼图。Xilinx提供的GT测试工具ibert中，就是利用这个功能进行眼图的测量。

图片来自UG908

关于GT的基本结构和eye scan的具体原理，由于文档已经做了充分的描述，这里就不重复赘述了。下文将会用简单通俗的语言来描述2D eye scan的基本原理，出发点是易于理解。所以在准确性和严谨程度上肯定有所欠缺，这里先说一声抱歉。

从字面分析，2D eye scan的意思就是二维眼图扫描。二维的意思自然是横纵两个坐标。所以眼图扫描的基本原理就是将二维眼图的最大范围坐标化，将眼图整体变为一个二维矩阵区域。

眼图扫描的过程就是依次遍历眼图的二位矩阵区域，并和眼图扫描的正中间区域做对比，记录错误值，然后依据错误值，用不同的颜色来绘制当前二位矩阵中某个点，最终组成一个眼图。

用更通俗的话来解释，就是眼图被划分为一个分辨率是N*M的图片。测量眼图的时候会依次遍历N*M个点，并和中心点的数据做对比。多次对比后记录值不一样的次数，即误码率。当遍历完N*M个点之后，依据每个点记录的误码率来用不同的颜色绘制一副图，即为眼图。

图片来自UG476

从上图的左边可以看到，每一个点相对中心点都有一个水平偏移量和垂直偏移量，这就等价于每个点的坐标值（至于0，0点在左下角还是在中心点都只是简单的坐标变换而已）。

从图中的右边可以看到，最终眼图的颜色是依据误码率绘制的，结合前文来自UG908的截图，可以清楚的看到当误码率越低，颜色越偏向蓝色（深蓝色）；当误码率越高，颜色越偏向红色。理论上，越接近中心的点，误码率越低，所以越偏蓝色，而越接近外围的点，误码率越高，所以越偏红色。所以实际获取的眼图样子，是中心蓝色，四周红色的眼图。

所以从原理上说，2D眼图的测量步骤其实是遍历整个N*M的点阵，计算每一个点与中心点数据值的误码率。当得到点阵误码率的数据之后，后面仅仅是绘图以便美观显示的事情。

具体的测量细节可以参考UG476的第四章。这里直接给出结论，内置的2D eye scan是逐个点进行测量的，所以每次测量只需一组坐标值。从微观看来，逐点测量由于是串行的，所以是比较慢的。但是从宏观来看，整体测量速度是比较快速的。

另外一个优点就是，眼图的测量不需要特殊的配置和数据，也不会对数据链路带来任何负面影响。由于是和中心点数据的对比，所以无论GT跑的是什么数据流，都可以进行测量，也没有影响。这就扩展了这一功能的使用范围。例如ibert的误码率只能统计PRBS，无法用于实际数据的统计/测试。而这一功能可以实时测试，不影响GT正常业务的运行。将这一功能集成到最终版本中，可以作为实时监控高速链路质量的一个参考标准。

如果GT无法正确回复出数据，则中心点的数据不会稳定。这样统计出来的结果也不会稳定的显示为一个眼睛的图案，而是一个奇怪的图案。如果GT能正确恢复出数据，那么中心点一定是稳定的数据，所以无论眼图是否睁开，张开多大，大体的形状还是一个眼睛的图案。进而，眼图张开的大小就代表信号质量的好坏。所以2D eye scan的结果对链路信号质量的判断，是非常有帮助的。

由于是逐点测试，所以这个过程相对来说更适合基于CPU/MCU的软件来实现。Xilinx提供了两个XAPP来实现该功能，其核心的控制都是交给MCU软核MicroBlaze来实现的。
https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp743-e...
https://www.xilinx.com/support/documentation/application_notes/xapp1198-...

下面介绍一下具体的操作步骤。

首先，eye scan的具体操作是需要使用DRP的端口，这一端口也是容易和CPU接口适配的。

使用DRP端口的优点是，主要步骤不占用FPGA可编程逻辑资源。代价是这个结构更适合MCU接口的实现，如果使用普通逻辑资源实现，会需要设计接口。

1.部分默认端口可以直接连接到地，例如：
EYESCANMODE
EYESCANTRIGGER

EYESCANRESET端口如果不需要使用，也是可以连接到地。

2.下面几个信号设置为1
ES_SCAN_EN
PMA_RSV2[5]
ES_ERRDET_EN
ES_QUAL_MASK=(80’b1)

3.根据位宽（RX_INT_DATAWIDTH）设置ES_SDATA_MASK
40-bit 位宽: ES_SDATA_MASK = (40'b1, 40'b0)
32-bit位宽: ES_SDATA_MASK = (40'b1, 32'b0, 8'b1)
20-bit位宽: ES_SDATA_MASK = (40'b1, 20'b0, 20'b1)
16-bit位宽: ES_SDATA_MASK = (40'b1, 16'b0, 24'b1)

4.根据误码率设置ES_PRESCALE，关于这个参数的值，可以暂时跳过，等看完下文，理解原理之后再选择合适的值写入。

上述设置只需要设置一次即可。其中要注意，ES_QUAL_MASK和ES_SDATA_MASK都是80bit数据，需要分多次才能写入。7系列的GTX/GTH，DRP数据位宽为16bit，所以需要5次才能完成80bit的写入。

开始遍历每一个点（即每一对横纵坐标）。横轴由ES_HORZ_OFFSET控制，纵轴由ES_VERT_OFFSET控制。

1.对每个点，将纵坐标写入ES_VERT_OFFSET

这里需要注意，ES_VERT_OFFSET和ES_PRESCALE的地址是一样的，高5bit是给ES_PRESCALE使用，低9位给ES_VERT_OFFSET使用。对于ES_VERT_OFFSET，0-7bit作为地址使用。第8位作为一个控制位，先填入0。DFE条件下后续还需要用到。

2.将横坐标写入ES_HORZ_OFFSET

3.将ES_CONTROL的低两位设置为2'b01

这里需要先读取出来，然后将低位设置位01，高位不变，再写入ES_CONTROL寄存器中。

4.循环查询es_control_status寄存器的值，如果发现最低位是1，表明采样/记错计数器溢出了，该点统计完毕（关于两个计数器的含义，下文在做讨论）。此时可以将ES_CONTROL的最低两位设置为2'd00，以便于下一个点的测量。

5.读取ES_ERROR_COUNT和ES_SAMPLE_COUNT寄存器的值，分别为记错寄存器和采样寄存器。

6.计算一下误码率

误码率的计算公式为，误码数目 / 采样数目。

误码数目即为ES_ERROR_COUNT的值，如果该值为0，则误码率直接为0。

采样数目的计算则相对负责。具体公式为:

SAMPLE/_COUNT=ES/_SAMPLE/_COUNT/times2^{(ES/_PRESCALE+1)}/times RX/_INT/_DATAWIDTH

可以看到，具体的采样数和ES_SAMPLE_COUNT的值是有一个非线性的计算关系。

通过上述公式可以计算出采样数的值，然后参与运算即可获取误码率这一数据。

7.当使用DFE的时候，需要将ES_VERT_OFFSET的第八位设置为1（前文描述设置为0），然后重新测试一边，计算出另一个误码率，和设置为0的误码率取一次平均才为最终的误码率。

这样就完成一个点的测试了。

所以测试的大体流程就是先设置好一些固定的参数，然后设置横纵坐标，开始测试。等测试结束后获取采样数和错误数两个值，计算误码率即可。DFE模式下需要将纵坐标的一位取反后重新测算一下，然后两个误码率取平均。

这里就能看出来测试的具体细节。内部测试提供了两个计数器，一个用于统计采样次数，另一个用于统计错误次数。测试过程其实就是进行多次的数据对比。对比一次，采样次数加1，如果数据不对，则错误次数也加1。等到两个计数器有一个溢出的时候就可以结束统计了。这样会有两种情况。
1.错误计数器溢出，采样计数器没有溢出，此时错误值比较大，可以保证精度。
2.采样计数器溢出，错误计数器没有溢出，此时采样值比较大，误码率往往比较低。
由于两个技术器溢出值相差非常大，所以不可能同时溢出。如果都没有溢出，那么测试就不会停止。
用这种方法，可以获取一个比较好的测试精度结果，也便于测试流程的控制。
另外，理解了这一流程，并观察采样值的计算公式，就能反推出ES_PRESCALE比较合适的值。
通过逐点的测量，就可以获取完整的眼图数据，然后进行绘图即可。

2D eye scan的原理就分析完了。

下面分析一下实际操作中的一些问题。

1.ES_PRESCALE：如果确定这个值

这个参数实际控制的是采样数的计算结果。通常情况下，通过公式反推，选区一个固定值就好。但是实际情况下，如果使用动态的控制，可以提高精度。关于这部分的讨论就非常深入了。有兴趣的童鞋可以再熟悉2D eye scan之后进行研究。

2.采样点的数量：一定要逐点吗

从手册中可以查询到ES_HORZ_OFFSET和ES_VERT_OFFSET的范围。实际操作中，其实并不需要逐点测试。从图片的角度触发，逐点（或者点间隔较小）的好处就是图片的分辨率较高。同时弊端就是花费的时间较长。通常使用中并不需要非常高的眼图分辨率，尤其是并不需要将眼图美观的绘制出来的条件下，适当加大间隔可以快速获取眼图的基本信息。依据基本信息再考虑是否提高精度，改变参数等操作，更为合适。ibert中也提供了调整采样点间隔的选项。

3.关于ibert眼图显示的美观性和眼图的显示

根据上述分析，眼图最终结果其实是一个颗粒感比较强的图片。ibert中较为平滑/美观的眼图其实是美化过的结果。右键点击眼图弹出的菜单中可以选择没有没画过的点阵图。

ibert绘制的平滑眼图

ibert的原始点阵眼图，每个点为细长的横条形状

以上两张图为同一次测量后调整ibert显示参数获取的不同效果，可以看到ibert默认显示是经过了美化的。而原始图就是一个颗粒感很强的点阵图。

下图为自行设计/实现2D eye scan后自行绘制的眼图。

自行实现2D eye scan测量后绘制的眼图

原始数据已经有了的情况下，眼图的绘制其实只是一个绘图的软件设计。考虑到大部分FPGA开发者可能并不擅长于图形界面的开发，所以推荐了解一下tk绘图。不过更好的方案是让专业的人做专业的事情。通过基本的数据，即使没有绘图，也能做很多事情了。

4.DRP如何控制

官方推荐的方案是利用MCU来进行控制，比如MicroBlaze的软核。

另外可以通过JTAG，由PC发起控制。原厂方案为AXI JTAG。

本人是通过TCL和JTAG来控制VIO接口，进而控制DRP端口的。关于这个方案，除了控制DRP端口，还可以控制BRAM。具体可以参考专栏文章：Vivado功能完善：如何用Tcl/VIO更新BRAM中的数据

5.寄存器的地址

上文的描述中最大的问题就是没有介绍寄存器和相关的地址。关于各个寄存器的名称再文章已经给出了。具体的地址可以参考UG476的附录D（通常都是最后一个附录）。
ES_QUAL_MASK 0x031~0x035
ES_SDATA_MASK 0x036~0x03A
PMA_RSV2 0x082
ES_ERRDET_EN 0x03D
ES_EYE_SCAN_EN 0x03D
ES_CONTROL 0x03D
ES_PRESCALE 0x03B
ES_VERT_OFFSET 0x03B
ES_HORZ_OFFSET 0x03C
es_control_status 0x151
ES_ERROR_COUNT 0x14F
ES_SAMPLE_COUNT 0X150

这里给出7系列GT的部分寄存器地址。

整套方案可以移植到UltraScale/UltraScale+的GT上，需要注意的是，寄存器地址需要重新核对一下。可以确定很多寄存器的地址/定义都不一样。

编辑：hfy