利用 IBERT 进行 GTX 信号眼图测试

利用 IBERT 进行 GTX 信号眼图测试

8.5.4.1 概述

Vivado中提供了1种IBERT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。

本教程使用IBERT工具对与SFP连接的GTX进行1.25Gbps和10.3125Gbps速率下的测试。从误码率和眼图两个角度来验证开发板GTX部分工作的稳定性和可靠性。

本教程共包含ibert_1_25g和ibert_10g两个例子，分别对应1.25Gbps和10.3125Gbps速率，均基于vivado 2017.4版本开发。

8.5.4.2 测试原理

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，从而得出接收端误码的统计值。

在开发板中，将光模块插入SFP屏蔽笼内，然后通过单根光纤将光模块的TX和RX短接，便可以通过IBERT工具对GTX进行测试。

8.5.4.3 IBERT设置

在Vivado中找到IBERT 7 Series GTX这个IP核。

图8‑73 IBERT 7 Series GTX

（一）千兆1.25G速率

IBERT测试协议选择Custom1，GTX参考时钟选择频率选择125MHz，只需要测试与SFP连接的4组GTX，所以GTX Quad选择1。如下图所示。千兆以太网使用了1000BASEX标准，采用了8b/10b编码方式，所以GTX的传输速率为1000Mbps×10/8=1250Mbps=1.25Gbps。如下图所示。采用Custom1协议，我们暂且不研究这个协议内容，传输速率为1.25Gbps。

由于2组与SFP连接的GTX都位于BANK 116，所以在QUAD_116中选择使能协议。在开发板中，底板时钟芯片输出的差分时钟是与REFCLK0连接，所以参考时钟要选择为MGTREFCLK0116，下图所示。

不妨将GTX输入的125MHz的时钟同时作为IBERT内部逻辑的工作时钟，这样就可以不使用额外的外部时钟，如下图所示。当然，用户也可以将该时钟设置为外部时钟，例如通过核心板的 FPGA时钟晶振提供，大家可以自行尝试。

点击OK，完成IBERT IP核配置。

（二）千兆10.3125G速率

IBERT 10.3125Gbps传输设置如下：

由于2组与SFP连接的GTX都位于BANK 116，所以在QUAD_116中选择使能协议。在开发板中，底板时钟芯片输出的差分时钟是与REFCLK0连接，所以参考时钟要选择为MGTREFCLK0116。

如下图所示

点击OK，完成IBERT IP核配置。

8.5.4.4 使用example design

IBERT的example design稍作修改就可以直接使用对GTX进行测试。

在IBERT IP核配置完成后，右击打开example design工程。

由于开发板的SFP屏蔽笼的tx_disable引脚都默认接了上拉电阻。要使收发回环测试可以正常进行，必须要将tx_disable引脚拉低。因此，在example design的顶层模块，添加4个sfp_tx_disable引脚，且均置为0即可。如下图所示。

然后，在xdc文件中添加sfp_tx_disable引脚的约束即可，如下图所示。注意：不同的开发板管脚定义不一样：

1.set_property PACKAGE_PIN D9 [get_ports {sfp_tx_disable[0]}]  

2.set_property PACKAGE_PIN D11 [get_ports {sfp_tx_disable[1]}]  

3.set_property PACKAGE_PIN C9 [get_ports {sfp_tx_disable[2]}]  

4.set_property PACKAGE_PIN D10 [get_ports {sfp_tx_disable[3]}]  

5.  

6.set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sfp_tx_disable[0]}]  

7.set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sfp_tx_disable[1]}]  

8.set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sfp_tx_disable[2]}]  

9.set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sfp_tx_disable[3]}]  

接着，编译工程，生成bit文件即可。千兆和万兆的example design使用方法相同。

8.5.4.5 GTX IBERT测试

（一）1.25G测试

用户可将千兆光模块插入任意1个SFP屏蔽笼内，也可以同时使用2、3、4个光模块插入相应的屏蔽笼内。本教程测试时只使用了1个光模块，插入丝印“SFPA”所对应的屏蔽笼，如下图所示。

图8‑74 开发板测试连接图

图8‑75 可编程时钟模式设置

使用单根光纤，将光模块的TX和RX短接。然后，给开发板上电，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，出现如下图所示的界面。

点击OK。然后出现如下图所示的界面。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。由于测试使只连接了1路GTX，因此这里只显示出了当前所使用的GTX链路。其他没有建立收发环路的GTX并没有显示。

当然，用户也可以手动将其他没有连接的GTX加到当前的显示栏中，点击如下图所示按钮。

然后，将同1个GTX对应的TX和RX建立link，如下图所示。

添加完成后如下图所示。点击OK即可。

随后显示框中出现了这3对没有连接的GTX，状态显示为“No Link”，如下图所示。

如下图所示，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GTX硬件工作稳定。

当前测试使用的数据为31bit的伪随机序列。

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。如下图所示。

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

出现如下界面，所有设置保持默认即可，然后点击OK。

此时vivado开始进行眼图扫描和生成，用户需要稍等片刻，等到Progress进度为100%时，眼图扫描过程便结束。

Vivado生成的眼图如下图所示。

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

（二）10.3125G测试

10.3125G的测试方法与上述的千兆测试方法完全相同。首先，给开发板断电，将光模块插入丝印“SFP-A和SFP-B”应的屏蔽笼。通过光纤将TX和RX短接。然后上电，下载example design生成的bit文件。如下图所示。

图8‑76 开发板测试连接图

图8‑77 可编程时钟模式设置

然后上电，下载example design生成的bit文件。如下图所示。

进行长时间测试后，GTX在万兆速率下的误码同样为0。如下图所示。

同理，扫描10.3125Gbps的眼图，如下图所示。10.3125Gbps速率下的眼图蓝色区域明显小于1.25Gbps速率时的眼图，而且形状发生了改变，变得有点像椭圆。这与信号的频率有关，信号的频率越高，在传输过程中的损耗越大，上下沿越来越平缓，方波会变得越来越像正弦波，眼图也会“睁得”越来越小。若使用更高的速率，眼图中的蓝色区域可能会变得更小。