Kintex7系列的GTX，以其良好的性能和功耗表現，已經成為業界FPGA選型時的明星。由于其良好的DFE性能，它能提供高達12.5Gbps的過背板能力，能支持在插損高達30dB的信道上可靠傳輸。在眾多的SERDES應用中，有些應用比較特別，那就是需要在實際運行過程中動態切換GTX的鏈路速率，如無線中的CRPI接口，需要同時支持9.8G，4.9G，2.4G等眾多速率。那么，如何能做到可靠地進行速率切換呢？本文就此作為主題，希望能充分發揮GTX的優勢。

1. 背景知識GTX結構

Kintex7的SERDES的結構圖如圖1。

圖1 Kintex7 GTX結構圖

以發送方向為例，參看圖2的發送方向的時鐘分布圖：

圖2 GTX 發送方向時鐘分布圖

Kintex7在進行鏈路速率切換時，主要有如下幾種辦法：

1） 切換QPLL/CPLL的參考鐘源頭；

2） 通過DRP接口修改QPLL/CPLL的參數設置

3） 切換QPLL/CPLL提供鏈路時鐘；

4） 調整PMA的分頻系數。

GTX工作模式介紹

在GTX內部，有2種工作模式：LPM模式和DFE模式。

LPM（Low Power Mode）模式是低功耗模式，其主要支持低插損信道，鏈路速率《11.2G，信道插損在12dB以下的情況。在LPM模式中，CTLE和baseline wander cancellation都是全自動的，不需要手工調整。LPM模式的結構圖如下：

圖3 LPM模式下GTX結構圖

DFE模式則提供更好的信道補償，其能夠支持高達12.5G的鏈路速率，并在信道插損大于8dB的場景下有良好表現。DFE和CTLE不同，它不會放大噪聲和串擾，能糾正信道不連續引起的反射。它能自動利用AGC，CTLE，DFE和baseline wander cancellation來完成信道補償，同時也支持CTLE手動模式。DFE模式下GTX的結構圖如圖4。

圖4 DFE模式下GTX結構圖

8B/10頻譜特性介紹

為何單獨介紹8B/10B呢？主要是因為采用8B/10B編碼的系統，其當系統空閑時，大體上都會發送固定碼型的數據，如802.3中定義的/I1/和/I2/。固定碼型的數據其頻譜比較離散，有太多的毛刺，不利于EMI也不利于DFE進行補償跟蹤。一般來說，當鏈路速率》5Gbps時，只是簡單的采用8B/10B編碼已經不適合。眾多協議一般此時會使用加擾進行替代或者在8B/10B編碼前先對數據進行加擾。

在實際應用中，可以通過示波器對信號進行快速FFT分析，得到其頻譜特性。如果頻譜毛刺比較多，那么就需要考慮在發送端改善信號頻譜。圖5是8B/10B編碼下，不同的模式的頻譜。從圖上可以看出，發送固定序列的AKR IDLE和GbE下的/I2/，其頻譜毛刺都很多，不適合于DFE工作。

圖5 頻譜圖

GTX復位流程

如果是以ISE14.4例化GTX，那么GTX的IP版本應該是2.4。在此版本的example code中，對于GTX的復位流程有充分的考慮。其可以作為大家設計GTX的復位處理的樣板。復位順序的一個總體原則是：從PLL，到PMA，再到PCS，再到用戶邏輯，依序處理。需要注意的是，GTX的復位都以統一的GTRXRESET/GTTXRESET來啟動，而復位模式則配置成sequential reset。

在接收方向，復位流程大致為：

圖7 GTX接收方向復位流程圖

在發送方向，復位流程大致為：

圖8 GTX發送方向復位流程圖

2. GTX配置介紹

GTX的配置需要重點關注的是：1） AGC；2） CTLE；3） RXCDR_CFG；4） 發送方向的Pre-emphasis。本文主要討論前面3項。

LPM模式下，AGC和CTLE都是全自動模式。其也提供了HOLD，OVERRIDE端口進行控制，如{RXOSHOLD， RXOSOVRDEN}，{RXLPMLFHOLD， RXLPMLFKLOVRDEN}，{RXLPMHFHOLD， RXLPMHFOVRDEN}。

在DFE模式下，同樣也提供了HOLD，OVERRIDE端口進行控制各種屬性。其還分為CTLE Auto模式和CTLE Manual模式。CTLE Auto模式的啟用可以通過DRP接口修改如下屬性來完成。

RX_BIAS_CFG［5:4］ = 2‘b11

RX_DFE_KL_CFG2［26:23］ = 4’b0111

RX_DFE_LPM_CFG［5:2］ = 4‘b0010

而在CTLE Manual模式下，通過DRP接口修改RX_DFE_KL_CFG2屬性，可以調整CTLE的頻率響應曲線，從而獲得適合于信道的值。

圖9 DFE模式下CTLE的設置

除去上面的配置，影響GTX性能的還有RXCDR_CFG屬性，其也只能通過DRP接口完成修改。具體推薦配置值參看表1。

3. CPRI下GTX速率切換流程

CPRI一般分如下幾個工作鏈路速率：

1） 2.4576 Gbps

2） 3.072 Gbps

3） 4.9152 Gbps

4） 6.144 Gbps

5） 9.8304 Gbps

在實際應用中，如果最高速率需要支持到9.8304Gbps，那么QPLL是必須啟用的。由于每個Quad只有1個QPLL，如果Quad里的4個GTX都要單獨調節鏈路速率，那么QPLL就只能工作在9.8304Gbps。下面又分2個情況進行討論：

a） 支持的速率有倍速關系；

只需要通過修改PMA部分的RXOUT_DIV和TXOUT_DIV屬性，或者RXRATE和TXRATE端口即可，而QPLL只工作在9.8304Gbps上。

b） 支持的速率沒有倍速關系。

除9.8304Gbps及其他和9.8304Gbps有倍速關系的速率外，其他速率的支持通過CPLL來支持。在CPLL不使用的時候可以講起PowerDown。

無論上面的哪種配置場景，其最基本的速率切換流程都不會有太大區別。其切換流程大體都應如下：

Step1：通過DRP接口更新相關屬性：

RXCDR_CFG，值具體參照表1

RX_BIAS_CFG

RX_DFE_KL_CFG2，值具體參照圖9

RX_DFE_LPM_CFG

RXOUTDIV

TXOUTDIV

Step2：復位GTX，參照GTX的復位流程。

值得注意的是，由于不同的鏈路速率下信道的表現不一致，RXCDR_CFG，RX_DFE_KL_CFG2的最佳值都會有不同，所以在切換速率時，必須通過DRP接口將最佳值配置到GTX。在切換LPM模式和DFE模式時，也必須從PMA開始進行一次完整復位。