简要讲解Xilinx SRIO IP（高速收发器二十八）

1、初识串行RapidIO（SRIO）

SRIO是串行RapidIO的简写，其实现代比较常用的高速接口协议，比如SRIO、PCIE、JESD204B等都是基于SERDES开发的，均属于高速串行总线。

在此之前有对应的并行总线，比如RapidIO、PCI、LVDS接口的AD和DA，并行总线的缺点在于速率过高时会引起信道偏差，并且PCB布线难度很大。

比如RapidIO 1.x协议定义了8/16并行LVDS协议和1x/4x串行协议（SRIO）共两种物理层接口协议，其中并行RapidIO协议需要40~76根走线，而SRIO只需要4~16根信号线。

下图是TI的DSP芯片的SRIO接口，集成了1x/4x的SRIO接口

在这里插入图片描述

图1 TI的DSP 1x/4x串行RapidIO接口框图

发送通道的数据先经过CRC编码，然后进行8B10B编码，之后转换为串行数据输出。

而接收通道的CDR先根据串行数据去调节时钟和数据的相位关系，之后把串行数据转换为并行数据，并行数据通过8B10B解码，最后在进行CRC校验，然后接收到数据。

至于8B10B编码原理，并串转换及CDR时钟恢复的原理在GTX相关文章已经讲解过，本文不再赘述。

RapidIO 2.0标准的线速率支持1.25GHz、2.5GHz、3.125GHz、5GHz、6.25GHz，协议分为三层：逻辑层、传输层、物理层，如下图所示。

在这里插入图片描述

图2 RapidIO协议分层结构

逻辑层定义了操作协议，传输层定义了包交换、路由和寻址机制，物理层定义了电气特性、链路控制和纠错重传等。

如图所示，RapidIO包由包头、可选的数据段和16bits CRC校验组成。包头的长度因类型不同可能是十几到二十几个字节，每包的数据段长度不超过256字节。

在这里插入图片描述

图3 RapidIO包格式

逻辑层业务主要支持直接IO/DMA和消息传递，直接IO/DMA模式又可以进一步分为写操作（NWRITE）、带响应的写操作（NWRITE_R）、流写（SWRITE，数据长度为8字节整数倍）、读操作（NREAD）。

在一个网络中，可以存在很多SRIO设备，各种互联结构如下图所示，传输层定义了包交换的路由和寻址机制。通过ID区分不同的终端器件，RapidIO支持8位或者16位器件ID，一个网络最多可以容纳256个或65536个终端器件。

在这里插入图片描述

图4 RapidIO支持灵活多样的拓扑结构

以上就是SRIO的一些概述内容，参考TI的一些内容。RapidIO的协议是比较复杂的，协议手册包含一千多页内容，有兴趣的可以在公众号后台回复“SRIO手册”（不包括引号）获取。

SRIO协议在FPGA中使用的并不是很多，大多数只会在FPGA与DSP通信时使用。由于手中并没有DSP相关硬件，因此就不对SRIO的标准协议进行解读了。

下文讲解Xilinx提供的SRIO IP相关内容，后文使用SRIO IP通过光纤回环，验证IP的简单使用方式。后续如果具体使用到DSP，在对相关内容进行解读。

2、Xilinx的SRIO IP 概述

Xilinx提供了SRIO协议的IP，支持1~4通道，不同速度等级的FPGA能够支持的协议是不相同的。下表展示了xilinx的FPGA芯片能够支持的SRIO协议类型及线速率。

在这里插入图片描述

图5 芯片速度等级与SRIO协议类型

上图显示的是支持该协议的FPGA芯片最低速度等级，比如速度等级为3的Zynq-7000芯片支持所有类型的SRIO协议，而速度等级为1的Zynq-7000芯片不支持4通道的线速率大于等于5Gbps的SRIO协议。

SRIO IP的内部框图如下图所示，由图可知SRIO的IP是在底层高速收发器GT的基础上封装而来的，因此比如部分时钟信号的关系与GTX其实是一致的。

在这里插入图片描述

图6 SRIO的系统框图

PHY层是在GT收发器的基础上对数据进行组帧或者解帧，与前文通过GTX实现自定义协议的PHY设计一致。PHY层和GT收发器的时钟应该是相关的，而逻辑层与PHY层的时钟是不同的，因此中间通过BUFFER进行缓冲数据。

3、逻辑层

逻辑层 (LOG) 包含三个接口，分别为用户接口、传输接口、配置结构接口。下图显示了与每个LOG接口关联的端口，粗箭头表示AXI4-Stream端口，细箭头表示AXI4-Lite端口。

传输接口与BUFFER直接相连，配置接口用于配置逻辑层的一些寄存器参数，一般不常用。用户接口经常使用IO端口收发数据，其余端口也不常用。

在这里插入图片描述

图7 逻辑层接口

用户接口包含一组I/O端口，还有可选的消息端口、维护端口、用户自定义端口。通常情况下，任何支持的I/O事务（如NWRITE、NWRITE_Rs、S_WRITE、NREADs和响应（不包括维护响应）都是在I/O端口上发送或接收的。

消息事务（如果支持）可以分配给消息端口或I/O端口,门铃只能使用I/O端口。如果启用了维护端口，所有维护数据包都将出现在维护端口上。

如果事务是用户定义的、不受支持的类型或没有分配的端口，它将使用用户定义的端口（当用户定义的端口被禁用时，接收到的与另一个端口不对应的数据包将被丢弃）。

I/O端口可以配置为Condensed I/O 或 Initiator/Target，I/O端口由AXI4-Stream通道构建而成，可以使用HELLO或SRIO Stream两种数据格式，常用HELLO格式。

3.1、Initiator/Target

Initiator/Target端口的构成如下所示，这个模式包含四个AXI_Stream端口。

本地端点生成的请求被放置在启动器请求（ireq）通道上，以便在链路上传输。如果远程设备接收到该数据包时，向本地端点发送应答报文，则应答报文会出现在响应（iresp）通道上。

本地设备接收到来自远程设备的请求数据包会出现在目标请求（treq）通道上，同理，对其的应答数据包应通过目标响应（tresp）通道发送。

在这里插入图片描述

图8 Initiator/Target端口

如果对上述的数据传输不是很理解，可以参考下图，两个FPGA（或者两个高速收发器）通过SRIO通信。

两个高速收发器均使用Initiator/Target端口模式，FPGA1通过ireq向FPGA2发送指令（包含写、带响应的写、读、门铃等），该数据包会出现在FPGA的treq通道。如果该数据包需要FPGA响应，那么FPGA2会从tresp发送响应数据包，响应数据包会出现在FPGA1的iresp端口。

下图中FPGA1与FPGA2相同颜色的端口传输对应的数据包，比如FPGA2通过ireq发送的请求数据包会出现在FPGA1的treq端口上。

在这里插入图片描述

图9 Initiator/Target端口通信原理

上述就是Initiator/Target端口的原理，一般页经常使用该端口，接收和发送数据包比较清晰。

3.2、Condensed I/O

精简I/O端口样式减少了用于发送和接收I/O数据包的通道数量。有一个axi4_stream通道用于传输与I/O端口（iotx）相关的所有数据包类型，所有接收到的I/O端口数据包（iorx）都使用一个通道，如下图所示。

在这里插入图片描述

图10 Condensed I/O端口

Condensed I/O端口将Initiator/Target端口端口的ireq和tresp合并为iotx，将treq和iresp合并为iorx，两个FPGA使用该接口模式通信时的框图如下所示。

在这里插入图片描述

图11 Condensed I/O端口通信原理

其实两种端口区别在于简洁和清晰，功能上没有区别。逻辑层的用户端口还包含消息端口和用户自定义端口，这两个均通过axi_stream传输数据，而维护端口通过axi4_lite传输数据。这些端口不经常使用，在具体使用时查看手册即可，端口信号都比较规范。

4、BUFFER、PHY、GT层结构

如下是BUFFER层相关接口，左侧通过axi4_stream接口与逻辑层相连，右侧通过axi_stream接口与PHY层相连，下面包含一个axi_lite的配置接口。

在这里插入图片描述

图12 BUFFER层接口

PHY层和GT的接口框图如下所示，左侧通过axi_stream接口与BUFFER直连，右侧连接GT收发器，下面同样可以通过一个axi_lite接口配置PHY内部寄存器。

在这里插入图片描述

图13 PHY层接口

手册中有大量篇幅描述配置寄存器的含义，但是一般只用来收发数据时，使用默认参数即可，不需要人为配置寄存器，因此这部分省略，需要什么功能再去查手册即可。

5、SRIO支持数据包类型及格式

SRIO一次最多只能传输256字节数据，并且不能将数据包拆分，在传输数据时必须保证数据段小于等于256字节。

下表定义了SRIO IP支持的一些事务的类型及参数，FTYPE和TTYPE都在后文协议中会被使用，读数据在发送端从Initiator/Target的ireq端口发出，会出现在接收端的treq端口上。

接收到不支持的事务会出现在用户定义的端口上，如果用户定义的端口不存在，则事务在内核中被丢弃，并拉高port_decode_error信号。

表1 支持的类型和相应的端口

在这里插入图片描述

5.1 、HELLO数据包

用户端口通过发送HELLO数据包来发送各种数据帧，HELLO数据包格式如下所示，其中size表示数据段的长度，取值范围[1,256]，单位字节。

在这里插入图片描述

图14 HELLO数据包格式

上述各个字段的含义如下表所示，其中FTYPE和TTYPE的值可以从图13中获取。

表2 HELLO格式详细信息

field	含义
TID	数据包的事务ID
FTYPE	数据包的事务类，HELLO格式支持的FTYPE有2、5、6、A、B和d。
TTYPE	数据包的交易类型，仅用于FTYPE 2、5和13。
priority	数据包的优先级，请求数据包只能使用优先级0-2，响应包优先级应该是请求优先级+1
CRF	数据包的关键请求流标志，拉高表示该数据包优先级比较高。
size	数据段的长度，以字节为单位。
Error(E)	高电平表示数据包处于错误状态。
address	读写数据的首字节地址。
info	信息字段，仅适用于门铃包。
Msglen-1	组成消息序列的数据包数量，仅适用于邮件。
Msgseg-1	此数据包代表的消息段，仅适用于邮件。
mailbox	通信的目标邮箱，仅适用于消息包，具体含义要查看具体的芯片。
letter	仅用于信息包的字母字段。示邮箱中的插槽。
Cos	服务等级。
StreamID	端到端业务流标识符。
length	PDU长度。

下图是一个典型的用户接口端口上的数据传输时序，HELLO报头出现在第一时钟，同时用户信号上传输源ID和目的ID。如果该数据包有数据段，则会出现在后续时钟。

下图先传输HELLO包头，在接下来的四个时钟传输32字节数据，总共需要五个时钟周期。

在这里插入图片描述

图15 用户端口的基本HELLO数据包传输

下图是一个包含三个数据包的时序。首先有两个单周期(仅报头)数据包，通过拉高tlast信号指示数据包边界。在单周期数据包之后，主机等待一个周期，然后开始发送下一个数据包。

在第三个数据包中，主机和从机都在不同的周期暂停数据传输 (分别拉低tvalid和tready)，经过五个时钟周期传输了16字节数据。

在这里插入图片描述

图16 用户端口的高级HELLO数据包传输

5.2、 SRIO Stream数据包

用户端口可以配置为使用SRIO Stream格式来实现最大程度的控制。在这种格式中，数据包以RapidIO规范中定义的完整形式传输数据，包括所有逻辑/传输层字段。

在这里插入图片描述

图17 所有类型的SRIO数据包格式

SRIO Stream的数据包格式如下所示，由于这种数据包使用的比较少，了解即可。

在这里插入图片描述

图18 SRIO Stream数据包格式

下图是用户接口端口上典型的SRIO Stream数据传输时序，五个时钟周期传输40字节数据，CRF和RESP出现在第一个时钟周期。

在这里插入图片描述

图19 基本SRIO Stream包传输

如下图所示，首先发送一个单周期包，主机等待一个时钟周期，然后发送两个背靠背的16字节数据包，拉高tlast来指示数据包的边界。

在这里插入图片描述

图20 高级SRIO Stream包传输

6、时钟关系

又到了时钟关系推导了，先将手册中提到的各个时钟关系列出来，然后在根据前文对GTX时钟的理解，再来推导SRIO各个时钟的关系，这些结论就会很清晰，毕竟SRIO只是在GTX的基础上封装得到的，很多规则依旧适用。

phy_clk是主内核时钟，gt_pcs_clk用于串行收发器与PHY通信的时钟信号(与GTX的userclk2对应)，gt_clk是高速收发器内部PCS与PMA传输并行数据的时钟信号（与GTX的userclk对应）。因此gt_pcs_clk的时钟频率是gt_clk的一半，phy_clk等于（gt_clk *高速收发器数据）/4。

为了防止BUFFER溢出，逻辑层的时钟log_clk应大于等于phy_clk，同时log_clk应该与phy_clk同步。所有配置接口的cfg_clk必须与log_clk保持一致。下表显示了链路宽度为1的各个时钟频率取值。

表3 链路宽度为1的各个时钟频率取值

在这里插入图片描述
下图是7系列FPGA的SRIO内部时钟架构，由图可知gt_clk就是高速收发器的usrclk（内部PCS与PMA传输并行数据的时钟），其时钟频率等于线速率除以PCS传输并行数据位宽，通过上图可知PCS并行数据位宽为20。