【米尔-Xilinx XC7A100T FPGA开发板试用】+03.SFP光口测试（zmj）

随着数字通信技术的进一步发展，各类数据的传输方案对带宽的需求迅猛增长，传统的并行总线的数据传输方式已经远远不能满足如万兆以太网、PCI-Express、SRIO、SFP等技术方案的需求，此种情况促使高速串行数据开始被广泛地使用。

除了Spartan系列，Xilinx其他系列FPGA内部集成了能实现高速数据收的发串并/并串转换、预加重、接收均衡、CDR、8B/10B线路编解码、弹性buffer、通道绑定和时钟修正等模块，可极大地减小时钟扭曲、信号衰减和线路噪声对接收性能的影响，从而使传输速率进一步提高，可用于实现万兆以太网、PCI-Express、SRIO、SFP等常用接口。在内嵌高速串行接口技术的FPGA被大量应用的同时，高速串行的信号质量测试也变得越来越重要，通常用示波器观察信号波形、眼图、抖动来衡量信号的质量。串行信号的抖动，反映在时域上，信号的稳定时间会变小，眼图宽度会变窄；信号的噪声，反映在信号幅度上，眼图高度变小。通俗点讲眼图的眼睛张开得越大，越端正，表示高速串行数据传输的越稳定。

为了方便用户使用，vivado中提供了一个IBERT(Integrated Bit Error Ratio Tester)的测试工具用于对Xilinx FPGA芯片的高速串行收发器进行板级硬件测试。通过IBERT我们可以直接获取误码率，观察眼图，调节串行收发器的参数，从而有助于判断可能存在的问题，便于验证硬件的稳定性和信号完整性。

IBERT中的BERT是Bit Error Ratio Test的缩写，指比特出错概率测试，简而言之就是误码率测试。Vivado中IBERT工具的测试原理是通过收发器由外部回环进行自收自发而实现。就是将同一组收发器的TX和RX进行短接，TX发送端通过发送某种特定序列的数据流，在RX接收端接收后，通过比对发送和接收的数据，从而得出误码率和眼图信息，来验证开发板GTP部分工作的稳定性和可靠性。

1. FPGA程序设计

1.1 硬件信息

Xilinx 具有集成高速 MGT (Multi-Gigabit Transceiver)的 BANK，可以通过使用相应 IP在芯片端实现 SFP+的物理层。

核心板 FPGA GTP 收发器接口⽀持 4 lanes，最大速率 6.6G/s，可用来扩展 PCIe、SATA、SFP、QSFP 等高速接口，BANK时钟100MHz。

核心板配套的开发板设计了 2 路 SFP+ 接口，其最大速率高达6.5Gb/s，连接器位号为 J4，J5，插入 SFP 光模块可实现光纤通信。

具体 BANK 信息如下（使用Lane2和Lane3，未用Lane0和Lane1）：

【图】SFP接口参考电路原理图

1.2 互连方案

SFP-0和SFP-1通过光纤及光模块进行直连。

【图】光纤是万兆多模双芯LC-LC光纤线（3m）

【图】光模块是万兆多模光模块

【图】光纤与光模块连接

【图】SFP-0与SFP-1互连

1.3 程序设计

在vivado的IP Catalog中找到IBERT 7 Series GTP这个IP核。

iBERT测试协议选择Custom1，GTP参考时钟频率选择125MHz，只需要测试与SFP连接的2对GTP，Quad Count选择1。传输速率设置为为3.125Gbps，PLL类型选择PLL0即可。

由于与SFP连接的GTP都位于BANK 216，所以在QUAD_216中选择使能协议。从上面的硬件电路分析中可以看到，底板时钟芯片输出的差分时钟是与GTP_216_CLKP1连接，所以参考时钟要选择为MGTREFCLK1 216。

IBERT内部逻辑的工作时钟选择GTP的输入时钟125MHz，这样就可以不使用额外的外部时钟，当然，用户也可以将该时钟设置为外部时钟，例如通过FPGA板卡的时钟晶振提供，大家可以自行尝试。

IBERT的example design通常无需修改就可以直接使用对GTP进行测试，因此在IBERT IP核配置完成后，右击打开example design工程。接着，编译工程，生成bit文件即可。

2. GTP-iBERT测试

在vivado中打开hardware manager，将刚才生成的bit文件下载到开发板中。下载完成后，点击auto-detec links。点击Reset按钮，使IBERT进行复位，可以看到此时的Errors变为0，代表接收端没有检测到错误，仔细观察有如下结论：

没有连接的GTP，状态显示为"No Link"；
已经连接的GTP，状态显示设置速率，经过长时间测试，可以发现Errors一直为0，这代表，测试过程中没有出现任何误码，这说明板级层面的GTP硬件工作稳定；
在测试进行时用户也可以修改测试数据类型，例如PRBS 23-bit，PRBS 7-bit等等，接收与发送所使用的数据类型必须完全一致，修改完成后，务必点击Reset按钮，复位Errors为0。

误码率可以从数学统计的角度判断GTP的硬件稳定性，vivado还提供了一种更直观的方式来观察GTP的信号完整性，那就是眼图。vivado生成的眼图如下图所示：

【图】Link状态及正常眼图

从信号完整性的角度来看，眼图中间的蓝色区域越大，GTP所对应的PCB高速电路的信号完整性越好。

同样的，还可以切换到浴缸曲线观察信号完整性（浴缸越大，等效于眼图越大，信号完整性越好）：

【图】Link状态及正常浴缸曲线

【视频】眼图测试