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FPGA设计心得（5）Aurora 例子工程分析与仿真实例分析（streaming版）

热度：20   发布时间：2023-12-12 19:54:17.0

文章目录

  • 背景
  • 例子工程预览
  • 例子程序用户模块逻辑分析
    • 收（CHECK）
    • 发（GEN）
  • 例子程序仿真文件分析
  • 写在最后
  • 工程分享
  • 参考资料
  • 交个朋友

背景

熬夜写完了上两篇博客：
Aurora IP core 的理论学习记录
Aurora IP core 的定制详情记录
到这一篇应该就是分析例子程序了，最重要地还是通过仿真来认识Aurora通信。
Aurora IP核的定制，基本都是默认的，为了简单起见，GT Selection中选择了一个通道（lane）。
文章末尾会分享工程文件！

例子工程预览

由于本IP核定制选择了：
在这里插入图片描述在这里插入图片描述因此，程序加入了一些debug的IP核例化。
如下：
在这里插入图片描述
而对于我们要仿真而言，这些都是没有必要的。
对于我们用户应用来说，最最重要的模块为：
在这里插入图片描述
一个check，一个gen。
在这里插入图片描述
gen代表发数据的模块，而check则为收数据的模块。
如数据手册：
在这里插入图片描述而如何对二者进行仿真呢？
形成一个回环，示意图如下：
在这里插入图片描述一方发，另一方收，反之亦然！
而testbench的作用就是将二者联系起来：
下图清晰说明：
在这里插入图片描述例子程序中带有仿真文件：
在这里插入图片描述
可见，例化了两次例子程序，就是为了将一方的tx送给另一方的rx，同时，另一方的tx送入一方的rx，形成一个闭环。

例子程序用户模块逻辑分析

收（CHECK）

我们知道收模块与aurora IP streaming用户接口之间的关系是：

在这里插入图片描述
因此，用户接口很简单，就两个信号进来就好，m_axi_rx_data以及m_axi_rx_valid即可，valid有效，则data数据为有效数据，至于收到的数据做什么处理，随你！例子程序的处理，我也不想深究，收过来按照自己的需求搞就完事了。

给出源码：


`timescale 1 ns / 1 ps
`define DLY #1module aurora_8b10b_streaming_FRAME_CHECK
(// User InterfaceRX_D, RX_SRC_RDY_N,// System InterfaceUSER_CLK,      RESET,CHANNEL_UP,ERR_COUNT
);//***********************************Port Declarations*******************************// User Interface
input   [0:15]     RX_D;
input              RX_SRC_RDY_N;// System Interface
input              USER_CLK;
input              RESET; 
input              CHANNEL_UP;output  [0:7]      ERR_COUNT;
//***************************Internal Register Declarations***************************
// Slack registersreg   [0:15]     RX_D_SLACK;
reg              RX_SRC_RDY_N_SLACK;reg     [0:8]      err_count_r = 9'd0;// RX Data registers
reg     [0:15]     data_lfsr_r;//*********************************Wire Declarations**********************************wire               reset_c;
wire    [0:15]     data_lfsr_concat_w;
wire               data_valid_c;wire               data_err_detected_c;
reg                data_err_detected_r;//*********************************Main Body of Code**********************************//Generate RESET signal when Aurora channel is not readyassign reset_c = RESET;// SLACK registersalways @ (posedge USER_CLK)
beginRX_D_SLACK          <= `DLY RX_D;RX_SRC_RDY_N_SLACK  <= `DLY RX_SRC_RDY_N;
end//______________________________ Capture incoming data ___________________________ //Data is valid when RX_SRC_RDY_N is assertedassign  data_valid_c    =   !RX_SRC_RDY_N_SLACK;//generate expected RX_D using LFSRalways @(posedge USER_CLK)if(reset_c)begindata_lfsr_r          <=  `DLY    16'hD5E6;  //random seed valueendelse if(CHANNEL_UP)beginif(data_valid_c)data_lfsr_r          <=  `DLY    {
    !{
    data_lfsr_r[3]^data_lfsr_r[12]^data_lfsr_r[14]^data_lfsr_r[15]},data_lfsr_r[0:14]};endelse begindata_lfsr_r          <=  `DLY    16'hD5E6;  //random seed valueend assign data_lfsr_concat_w = {
    1{
    data_lfsr_r}};//___________________________ Check incoming data for errors __________________________//An error is detected when LFSR generated RX data from the data_lfsr_concat_w register,//does not match valid data from the RX_D portassign  data_err_detected_c    = (data_valid_c && (RX_D_SLACK != data_lfsr_concat_w));//We register the data_err_detected_c signal for use with the error counter logicalways @(posedge USER_CLK)data_err_detected_r    <=  `DLY    data_err_detected_c; //Compare the incoming data with calculated expected data.//Increment the ERROR COUNTER if mismatch occurs.//Stop the ERROR COUNTER once it reaches its max value (i.e. 255)always @(posedge USER_CLK)if(CHANNEL_UP)beginif(&err_count_r)err_count_r       <=  `DLY    err_count_r;else if(data_err_detected_r)err_count_r       <=  `DLY    err_count_r + 1;endelsebegin	       	err_count_r       <=  `DLY    9'd0;end   //Here we connect the lower 8 bits of the count (the MSbit is used only to check when the counter reaches//max value) to the module outputassign  ERR_COUNT =   err_count_r[1:8];endmodule

仿真预告：

在这里插入图片描述
这便是收到的数据。

对了，程序中的这个输入变量：
RX_SRC_RDY_N
就是valid的反而已：

    //______________________________ Capture incoming data ___________________________ //Data is valid when RX_SRC_RDY_N is assertedassign  data_valid_c    =   !RX_SRC_RDY_N_SLACK;

其他的不言而喻！

发（GEN）

发要比收需要的信号多一个，那就是ready信号，具体为：

   // User Interface
output  [0:15]     TX_D;
output             TX_SRC_RDY_N;
input              TX_DST_RDY_N;

根据streaming格式的关系：
在这里插入图片描述我们用户逻辑需要得到一个ready有效信号，然后置位valid的同时，发送有效数据data。
在这里插入图片描述
例子发送程序根据lsfr产生随机数据发送：

    //______________________________ Transmit Data __________________________________ //Transmit data when TX_DST_RDY_N is asserted.//Random data is generated using XNOR feedback LFSR//TX_SRC_RDY_N is asserted on every cycle with dataalways @(posedge USER_CLK)if(reset_c)begindata_lfsr_r          <=  `DLY    16'hABCD;  //random seed valueTX_SRC_RDY_N    <=  `DLY    1'b1;   endelse if(!TX_DST_RDY_N)begindata_lfsr_r          <=  `DLY    {
    !{
    data_lfsr_r[3]^data_lfsr_r[12]^data_lfsr_r[14]^data_lfsr_r[15]},data_lfsr_r[0:14]};TX_SRC_RDY_N    <=  `DLY    1'b0;end//Connect TX_D to the DATA LFSR registerassign  TX_D    =   {
    1{
    data_lfsr_r}};

不需要多言！
下面给出完整发送程序：


`timescale 1 ns / 1 ps
`define DLY #1module aurora_8b10b_streaming_FRAME_GEN
(// User InterfaceTX_D, TX_SRC_RDY_N,TX_DST_RDY_N,// System InterfaceUSER_CLK,      RESET,CHANNEL_UP
);
//*****************************Parameter Declarations****************************//***********************************Port Declarations*******************************// User Interface
output  [0:15]     TX_D;
output             TX_SRC_RDY_N;
input              TX_DST_RDY_N;// System Interface
input              USER_CLK;
input              RESET; 
input              CHANNEL_UP;//***************************External Register Declarations***************************reg                TX_SRC_RDY_N;//***************************Internal Register Declarations***************************reg     [0:15]     data_lfsr_r;    wire               reset_c;wire       dly_data_xfer;reg [4:0]  channel_up_cnt;//*********************************Main Body of Code**********************************always @ (posedge USER_CLK)beginif(RESET)channel_up_cnt <= `DLY 5'd0;else if(CHANNEL_UP)if(&channel_up_cnt)channel_up_cnt <= `DLY channel_up_cnt;else channel_up_cnt <= `DLY channel_up_cnt + 1'b1;elsechannel_up_cnt <= `DLY 5'd0;endassign dly_data_xfer = (&channel_up_cnt);//Generate RESET signal when Aurora channel is not readyassign reset_c = RESET || !dly_data_xfer;//______________________________ Transmit Data __________________________________ //Transmit data when TX_DST_RDY_N is asserted.//Random data is generated using XNOR feedback LFSR//TX_SRC_RDY_N is asserted on every cycle with dataalways @(posedge USER_CLK)if(reset_c)begindata_lfsr_r          <=  `DLY    16'hABCD;  //random seed valueTX_SRC_RDY_N    <=  `DLY    1'b1;   endelse if(!TX_DST_RDY_N)begindata_lfsr_r          <=  `DLY    {
    !{
    data_lfsr_r[3]^data_lfsr_r[12]^data_lfsr_r[14]^data_lfsr_r[15]},data_lfsr_r[0:14]};TX_SRC_RDY_N    <=  `DLY    1'b0;end//Connect TX_D to the DATA LFSR registerassign  TX_D    =   {
    1{
    data_lfsr_r}};endmodule

仿真预警：

在这里插入图片描述这边是发送数据。

例子程序仿真文件分析

先给出仿真文件（然后在简单分析仿真文件）：


`timescale 1 ns / 1 psmodule aurora_8b10b_streaming_TB;//*************************Parameter Declarations**************************parameter       SIM_MAX_TIME  = 9500000; //To quit the simulation//125.0MHz GT Reference clock
parameter       CLOCKPERIOD_1 = 8.0	;
parameter       CLOCKPERIOD_2 = 8.0	;
//parameter CLOCKPERIOD_1 = 8.0;
//parameter CLOCKPERIOD_2 = 8.0;
parameter       DRP_CLOCKPERIOD = 20.000	 ; //GT DRP Clock
parameter       INIT_CLOCKPERIOD = 20.0 ; // Board/System Clock//************************Internal Register Declarations*****************************//Freerunning Clock
reg                reference_clk_1_n_r;
reg                reference_clk_2_n_r;
reg     drp_clk_r;
reg     init_clk_p;//Global signals
reg                gt_reset_in;
reg                gsr_r;
reg                gts_r;
reg                reset_i;//********************************Wire Declarations**********************************//Freerunning Clock 
wire               reference_clk_1_p_r;
wire               reference_clk_2_p_r;         wire    init_clk_n;
//Dut1//Error Detection Interface
wire               hard_err_1_i;        
wire               soft_err_1_i;        //Status
wire               channel_up_1_i;        
wire               lane_up_1_i;//GT Serial I/O
wire               rxp_1_i; 
wire               rxn_1_i; wire               txp_1_i; 
wire               txn_1_i; // Error signals from the Local Link packet checker
wire    [0:7]      err_count_1_i; //Dut2//Error Detection Interface
wire               hard_err_2_i;        
wire               soft_err_2_i;        //Status
wire               channel_up_2_i;        
wire               lane_up_2_i;//GT Serial I/O
wire               rxp_2_i; 
wire               rxn_2_i; wire               txp_2_i; 
wire               txn_2_i; // Error signals from the Local Link packet checker
wire    [0:7]      err_count_2_i; //*********************************Main Body of Code**********************************//_________________________Serial Connections________________assign   rxn_1_i      =    txn_2_i;assign   rxp_1_i      =    txp_2_i;assign   rxn_2_i      =    txn_1_i;assign   rxp_2_i      =    txp_1_i;//__________________________Global Signals_____________________________//Simultate the global reset that occurs after configuration at the beginning//of the simulation. Note that both GT smart models use the same global signals.assign glbl.GSR = gsr_r;assign glbl.GTS = gts_r;initialbegingts_r    = 1'b0;       gsr_r    = 1'b1;gt_reset_in = 1'b1;#5000;gsr_r    = 1'b0;gt_reset_in = 1'b0;repeat(10) @(posedge init_clk_p);gt_reset_in = 1'b1;repeat(10) @(posedge init_clk_p);gt_reset_in = 1'b0;end//____________________________Clocks____________________________initialreference_clk_1_n_r = 1'b0;always #(CLOCKPERIOD_1 / 2) reference_clk_1_n_r = !reference_clk_1_n_r;assign reference_clk_1_p_r = !reference_clk_1_n_r;initialreference_clk_2_n_r = 1'b0;always #(CLOCKPERIOD_2 / 2) reference_clk_2_n_r = !reference_clk_2_n_r;assign reference_clk_2_p_r = !reference_clk_2_n_r;initialdrp_clk_r = 1'b0;always #(DRP_CLOCKPERIOD / 2) drp_clk_r = !drp_clk_r;initialinit_clk_p = 1'b0;always #(INIT_CLOCKPERIOD / 2) init_clk_p = !init_clk_p;assign init_clk_n =  !init_clk_p;//____________________________Resets____________________________initialbeginreset_i = 1'b1;#1000 reset_i = 1'b0;end//________________________Instantiate Dut 1 ________________aurora_8b10b_streaming_exdes example_design_1_i
(// User IO.RESET(reset_i),// Error signals from Aurora .HARD_ERR(hard_err_1_i),.SOFT_ERR(soft_err_1_i),// Status Signals.LANE_UP(lane_up_1_i),.CHANNEL_UP(channel_up_1_i),.INIT_CLK_P(init_clk_p),.INIT_CLK_N(init_clk_n),.DRP_CLK_IN(drp_clk_r), .GT_RESET_IN(gt_reset_in),// Clock Signals.GTXQ0_P(reference_clk_1_p_r),.GTXQ0_N(reference_clk_1_n_r),// GT I/O.RXP(rxp_1_i),.RXN(rxn_1_i),.TXP(txp_1_i),.TXN(txn_1_i),// Error signals from the Local Link packet checker.ERR_COUNT(err_count_1_i)
);//________________________Instantiate Dut 2 ________________aurora_8b10b_streaming_exdes example_design_2_i
(// User IO.RESET(reset_i),// Error signals from Aurora .HARD_ERR(hard_err_2_i),.SOFT_ERR(soft_err_2_i),// Status Signals.LANE_UP(lane_up_2_i),.CHANNEL_UP(channel_up_2_i),.INIT_CLK_P(init_clk_p),.INIT_CLK_N(init_clk_n),.DRP_CLK_IN(drp_clk_r), .GT_RESET_IN(gt_reset_in),// Clock Signals.GTXQ0_P(reference_clk_2_p_r),.GTXQ0_N(reference_clk_2_n_r),// GT I/O.RXP(rxp_2_i),.RXN(rxn_2_i),.TXP(txp_2_i),.TXN(txn_2_i),// Error signals from the Local Link packet checker.ERR_COUNT(err_count_2_i)
);

分为几个部分，

  • 端口声明：
    一般而言，输入声明为reg类型，输出为wire。
    例如：
    //GT Serial I/O
wire               rxp_1_i; 
wire               rxn_1_i; wire               txp_1_i; 
wire               txn_1_i;

但也不尽然如此，例如输入的差分时钟，我们就可以将其中一个声明为reg，至于差分的另一半，声明为wire，之后通过取反操作来实现：

    //Freerunning Clock
reg                reference_clk_1_n_r;
reg                reference_clk_2_n_r;
reg     drp_clk_r;
reg     init_clk_p;//********************************Wire Declarations**********************************//Freerunning Clock 
wire               reference_clk_1_p_r;
wire               reference_clk_2_p_r;         wire    init_clk_n;
assign reference_clk_1_p_r = !reference_clk_1_n_r;
assign reference_clk_2_p_r = !reference_clk_2_n_r;
assign init_clk_n =  !init_clk_p;
  • 产生时钟
    时钟较多，差分时钟产生方法是先生成p时钟或者n时钟，之后取反得到另一方：
//____________________________Clocks____________________________initialreference_clk_1_n_r = 1'b0;always #(CLOCKPERIOD_1 / 2) reference_clk_1_n_r = !reference_clk_1_n_r;assign reference_clk_1_p_r = !reference_clk_1_n_r;initialreference_clk_2_n_r = 1'b0;always #(CLOCKPERIOD_2 / 2) reference_clk_2_n_r = !reference_clk_2_n_r;assign reference_clk_2_p_r = !reference_clk_2_n_r;initialdrp_clk_r = 1'b0;always #(DRP_CLOCKPERIOD / 2) drp_clk_r = !drp_clk_r;initialinit_clk_p = 1'b0;always #(INIT_CLOCKPERIOD / 2) init_clk_p = !init_clk_p;assign init_clk_n =  !init_clk_p;//____________________________Resets____________________________initialbeginreset_i = 1'b1;#1000 reset_i = 1'b0;end
  • 例化待测试模块
    例化两次aurora例子程序，作为通信的双方：
//________________________Instantiate Dut 1 ________________aurora_8b10b_streaming_exdes example_design_1_i
(// User IO.RESET(reset_i),// Error signals from Aurora .HARD_ERR(hard_err_1_i),.SOFT_ERR(soft_err_1_i),// Status Signals.LANE_UP(lane_up_1_i),.CHANNEL_UP(channel_up_1_i),.INIT_CLK_P(init_clk_p),.INIT_CLK_N(init_clk_n),.DRP_CLK_IN(drp_clk_r), .GT_RESET_IN(gt_reset_in),// Clock Signals.GTXQ0_P(reference_clk_1_p_r),.GTXQ0_N(reference_clk_1_n_r),// GT I/O.RXP(rxp_1_i),.RXN(rxn_1_i),.TXP(txp_1_i),.TXN(txn_1_i),// Error signals from the Local Link packet checker.ERR_COUNT(err_count_1_i)
);//________________________Instantiate Dut 2 ________________aurora_8b10b_streaming_exdes example_design_2_i
(// User IO.RESET(reset_i),// Error signals from Aurora .HARD_ERR(hard_err_2_i),.SOFT_ERR(soft_err_2_i),// Status Signals.LANE_UP(lane_up_2_i),.CHANNEL_UP(channel_up_2_i),.INIT_CLK_P(init_clk_p),.INIT_CLK_N(init_clk_n),.DRP_CLK_IN(drp_clk_r), .GT_RESET_IN(gt_reset_in),// Clock Signals.GTXQ0_P(reference_clk_2_p_r),.GTXQ0_N(reference_clk_2_n_r),// GT I/O.RXP(rxp_2_i),.RXN(rxn_2_i),.TXP(txp_2_i),.TXN(txn_2_i),// Error signals from the Local Link packet checker.ERR_COUNT(err_count_2_i)
);

双方如何形成一个通路的呢？
1发接到2的收，2发接到1的收：

   //_________________________Serial Connections________________assign   rxn_1_i      =    txn_2_i;assign   rxp_1_i      =    txp_2_i;assign   rxn_2_i      =    txn_1_i;assign   rxp_2_i      =    txp_1_i;

由于数据是自己的gen模块以及产生的，故在设计文件中设计即可。
下面仿真实践，看看仿真图吧！

先宏观地看第一个仿真图：
在这里插入图片描述
可见，一方（简称partner1）和另一方（简称partner2）串行数据完全一致，理所当然如此，因为二者是直接相连的回环。
当然，这种串行数据我们是看不懂的，我们要看的是用户逻辑，模块check以及gen的数据，继续把二者拉出来仿真：
在这里插入图片描述
从partner1的gen中提取出valid，data，ready信号；
再从partner2的check中提取出valid和data信号。
二者构成一个通路。
在这里插入图片描述
上图中，TX_D就是s_axi_tx_data，而TX_DST_RDY_N取反就是s_axi_tx_tready，同理，TX_SRC_RDY_N取反是s_axi_tx_valid，故而，当TX_SRC_RDY_N和TX_DST_RDY_N都有效的时候，代表发送的数据TX_D为有效数据。
这一点从代码的端口定义可见等价关系：
在这里插入图片描述
同理，接收情况也是如此！
按照streaming用户接口的时序图：
在这里插入图片描述
当valid有效的时候，接收的数据才有效，因此，我们查看接收数据时刻应该在：
在这里插入图片描述
我们通过放大，来看看，这两个时刻上的数据是否一致？
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
可见，都是d5e6，而且后续数据也一致，可见，发送与接收的通道是没有问题的，至少从仿真上看是没有问题的。（这里提醒一句，这里对齐的时钟肯定是用户时钟，这里没有拉出来。）
从s_axi_tx_valid到s_axi_rx_valid有效的延迟时间，大家也可以算下，延迟了多久？（大概40多个user_clk 时钟周期了）。

写在最后

熬了个夜，学习了下aurora的理论以及到现在仿真了下streaming数据格式的aurora例子程序，由于疫情原因，还没有能到学校，因此上板是不可能了，也许再也不可能了，只能等到公司了。
下面会给出本例子程序的整个工程。

工程分享

提取码：03ii
aurora streaming工程例子工程分享

参考资料

Aurora IP核例子程序

Aurora数据手册

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