FPGA设计之GTP、GTX、GTH以及GTZ四种串行高速收发器

xilinx的7系列FPGA根据不同的器件类型，集成了GTP、GTX、GTH以及GTZ四种串行高速收发器，四种收发器主要区别是支持的线速率不同，图一可以说明在7系列里面器件类型和支持的收发器类型以及最大的收发器数量。

图1

Xilinx的7系列FPGA随着集成度的提高，其高速串行收发器不再独占一个单独的参考时钟，而是以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，以XC7K325T为例，GTX在FPGA内部如图二所示：

图2

对于每一个串行高速收发器，其包含了发送部分和接收部分，内部结构图三：

图3

发送端和接收端功能独立，均由PMA(Physical Media Attachment，物理媒介适配层)和PCS(PhysicalCoding 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8B/10B编解码、缓冲区、通道绑定和时钟修正等电路。

GTX发送端处理流程：首先用户逻辑数据经过8B/10B编码后，进入一个发送缓存区，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，有必要的话，可以进行预加重、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。

上面是GTX的性能和结构功能概述，下面详细分析GTX的时钟结构。

以7系列的GTX来说，每个Quad有两个外部差分参考时钟源，其中一个Quad的时钟结构如图四所示：

图4

红色方框部分是两个差分参考时钟输入，每个外部参考时钟的输入必须经过IBUFDS_GTE2源语之后才能使用。绿色方框是来自其他Quad的参考时钟输入，7系列FPGA支持使用相邻（南北方向）Quad的参考时钟作为当前Quad的参考时钟，多路参考时钟源经过一个选择器之后，分两路进入QPLL和CPLL，如图五和图六，其中蓝色方框是QPLL，黄色方框是CPLL，对于一个GTX Channel来说，可以独立选择参考时钟，可以选择QPLL，也可以选择CPLL，QPLL和CPLL的区别在于两者支持的线速率不同，QPLL支持的线速率高于CPLL，图七是外部参考时钟模型的详细结构，红色箭头表示QPLL通路，黄色箭头表示CPLL通路。

图5

图6

图7

因为每一个Quad有两个外部参考时钟，因此对于每一个Quad来说，可以选择两个不同的参考时钟，每一个CHANNEL的接收端和发送端都可以独立选择参考时钟，如图八所示：

图8

如果用户需要使用其他Quad的参考时钟源来作为当前Quad的参考时钟，在满足下面三个条件的情况下可以使用：
① 只能使用当前Quad上方的Quad的参考时钟；
② 只能使用当前Quad下方的Quad的参考时钟；
③ 一个Quad的参考时钟源不能驱动超过3个Quad的收发器（只能驱动当前Quad和上下方相邻两个Quad）；

满足上面的条件，就可以把其他Quad的参考时钟配置成当前Quad的参考时钟，如图九所示，注意图中红色方框表示相邻的Quad：

图9

QPLL和CPLL的区别，在于两者支持的线速率不同，对于CPLL来说，支持的线速率位1.6GHz到3.3GHZ之间，而对于QPLL来说，GTX支持的线速率分两档，Lower Baud支持5.93GHz~8.0GHz，Upper Baud支持9.8GHz~12.5GHz，对于GTH则不分档位，支持的线速率为8.0GHz~13.1GHz。

编辑：hfy