1.引言

　　彈性緩沖由Maurice Karnaugh在電話網(wǎng)絡(luò)中傳輸PCM信號中提出來的,。隨后人們在很多不同的應(yīng)用中采用了彈性緩沖技術(shù)來同步數(shù)據(jù)，很多協(xié)議例如USB、PCIE,、以太網(wǎng)等,。

　　USB3.0是一個高速，串行,，源同步數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議,。但是數(shù)據(jù)經(jīng)過傳輸線與原數(shù)據(jù)發(fā)生了很大的偏差。本文從USB3.0的角度分析了彈性緩沖機(jī)制,，解釋了與其他設(shè)計的不同,，并采用指針控制與握手的設(shè)計方法實現(xiàn)。

　　2.彈性緩沖作用

　　2.1 USB3.0彈性緩沖作用域

　　在USB3.0中數(shù)據(jù)傳輸采用雙單工,，因此物理層設(shè)計為接收,、發(fā)送2組差分對傳輸部分,。傳輸線是承載數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮d體,。因此如何從傳輸線正確接收數(shù)據(jù)，并把它同步到系統(tǒng)內(nèi)部時鐘域,，變的十分關(guān)鍵,。

　　USB3.0中規(guī)定的物理層接收部分結(jié)構(gòu)圖如下，它包括差分接收,、時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù),、串并轉(zhuǎn)換和8B10B譯碼。

圖 1USB3.0物理層接收部分結(jié)構(gòu)

　　整個數(shù)據(jù)流向自上而下,，差分輸入經(jīng)過差分接收,，從差分信號中提取出時鐘，并用恢復(fù)出來的時鐘來恢復(fù)出數(shù)據(jù)（CDR）,?；謴?fù)出來的數(shù)據(jù)在接收時鐘域進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換為10bit位寬并行數(shù)據(jù)1，并檢測USB3.0包起始標(biāo)志符（K28.5）,。一旦檢測到起始標(biāo)志符K28.5,，使能符號有效（symbol lock），直至檢測到結(jié)束符號,，才結(jié)束符號有效,。

　　彈性緩沖從串并轉(zhuǎn)換接收數(shù)據(jù)，所有的接收數(shù)據(jù)與控制都工作在接收時鐘域（receive clock）,。因此彈性緩沖要把數(shù)據(jù)與控制同步到系統(tǒng)時鐘域（system clock）,。把數(shù)據(jù)向下傳遞給8B10B譯碼模塊，而后傳遞給系統(tǒng)內(nèi)部,。

　　2.2 彈性緩沖容量

　　USB3.0中,，協(xié)議規(guī)定允許的時鐘精度為-5300ppm到300ppm。而符號時鐘頻率為2ns即2000ps，最壞情況下每178個symbol添加或者刪除一個SKP,，也就是每356個symbol添加或者刪除一個SKP對（SKP Order Sets）,。USB3.0中包最長為1052字節(jié)，所以最差情況下,，最多可以添加或刪除8個SKP或者4個SKP對,，所以彈性緩沖至少要能緩沖8個SKP。USB3.0協(xié)議規(guī)定每個SKP order sets為2個連續(xù)的SKP symbol,。因此在10B8B譯碼前,，SKP order set的游程（running disparity）應(yīng)該是互補的。

　　通過計算得知,，彈性緩沖的緩沖容量為8,。本文設(shè)計采用常半滿2（normal half full）模式來設(shè)計彈性緩沖，所以彈性緩沖容量為16,，在正常情況下里面應(yīng)該有8個數(shù)據(jù),，剩下的8個為緩沖空間，因此叫常半滿,。常半滿模式首先要向緩沖中寫滿8個symbol,，達(dá)到半滿，然后讀使能才可以有效,，因此大約有8個時鐘的延遲,。常半滿模式只有在symbol隊列中出現(xiàn)SKP對才能添加或者刪除SKP對。下圖為常半滿輸入輸出時序圖,。

圖 2 常半滿輸入輸出時序

　　從上圖可以看出,，rx_valid_out有效要晚于rx_valid_in約8個時鐘沿；而無效卻晚于rx_valid_out約0至16個時鐘沿（取決于時鐘精度差）,。因此常半滿需要8個時鐘延遲才能輸出數(shù)據(jù),。

　　2.3 彈性緩沖機(jī)制

　　彈性緩沖本質(zhì)上是讀寫同時受控的異步FIFO，常半滿（normal half full）FIFO,，其深度為16,，首先要寫滿8個有效數(shù)據(jù)，并一直維持在半滿的狀態(tài),。因此在正常情況下,，F(xiàn)IFO一直處于或接近半滿狀態(tài)，當(dāng)讀寫時鐘一樣快慢的時候,，F(xiàn)IFO中有8個有效數(shù)據(jù),。

圖 3 常半滿讀寫同等速率

　　當(dāng)讀時鐘快于寫時鐘，讀出的數(shù)據(jù)多于寫入的數(shù)據(jù),，常半滿模式可能導(dǎo)致FIFO中的數(shù)據(jù)數(shù)量少于8,，甚至有可能被讀空,。如下圖所示，在出現(xiàn)SKP窗口的時候,，F(xiàn)IFO中的有效數(shù)據(jù)為4,，比常態(tài)少4。所以此時,，彈性緩沖應(yīng)該添加4個SKP,，使得FIFO維持半滿，以此來調(diào)節(jié)時鐘,。此時讀指針向前跳躍4個間隔,，并且當(dāng)讀指針讀到跳躍區(qū)間時，完成SKP添加,。

圖 4 常半滿模式讀快于寫

　　當(dāng)讀時鐘慢于寫時鐘,，寫入的數(shù)據(jù)多于讀出的數(shù)據(jù)，常半滿模式可能導(dǎo)致FIFO中的數(shù)據(jù)數(shù)量多于8,，甚至有可能被寫滿,。如下圖所示，在出現(xiàn)SKP窗口的時候,， FIFO中有效數(shù)據(jù)為10,，比常態(tài)多2. 所以此時，彈性緩沖應(yīng)該刪除2個SKP,，使得FIFO維持半滿，以此來調(diào)節(jié)時鐘,。此時寫指針應(yīng)該暫停2個時鐘周期,，完成SKP刪除。

圖 5 常半滿寫快于讀

　　3.彈性緩沖結(jié)構(gòu)

　　常半滿模式下彈性緩沖的結(jié)構(gòu)設(shè)計,，可以分為接收時鐘域控制,、系統(tǒng)時鐘域控制、閥值檢測與同步,。接收時鐘域控制包括,，寫控制與寫指針控制。系統(tǒng)時鐘域控制包括讀控制與讀指針控制,。閥值檢測與同步包括SKP添加刪除閥值與時鐘域之間的同步,。

圖 6 常半滿模式彈性緩沖結(jié)構(gòu)

　　3.1 USB3.0中SKP刪除

　　當(dāng)接收時鐘域的symbol lock有效時，寫使能才可能有效,。一直可以寫到FIFO處于半滿狀態(tài),，此時FIFO處于臨界狀態(tài)，讀寫速率的差別將導(dǎo)致不同閥值的觸發(fā),。下圖是SKP對的刪除,。

圖 7 SKP對刪除

檢測單元用來檢測進(jìn)入FIFO的數(shù)據(jù)是否為SKP，起到標(biāo)注SKP窗口的作用，為SKP的刪除提供了窗口,。閥值監(jiān)測單元一直監(jiān)測FIFO中有效數(shù)據(jù)的數(shù)量,。如果數(shù)量大于刪除閥值（FIFO中有10個有效數(shù)據(jù)），并且SKP窗口有效,，那么彈性緩沖暫停指針,，屏蔽SKP對，以此來達(dá)到刪除SKP對的目的,。但是USB3.0中的SKP都是成對出現(xiàn)的,，因此刪除SKP對的時候要注意奇偶性。

　　所以采用狀態(tài)機(jī)來設(shè)計USB3.0中SKP對的刪除,，如下圖,。當(dāng)SKP窗口無效的時候，狀態(tài)處于idle,；當(dāng)SKP窗口有效而且刪除閥值觸發(fā)時,，狀態(tài)進(jìn)入了屏蔽狀態(tài)；在SKP窗口 有效的情況,，屏蔽狀態(tài)持續(xù)到刪除閥值標(biāo)志無效,；當(dāng)SKP窗口無效，或者刪除閥值標(biāo)志無效而且被屏蔽SKP個數(shù)是偶數(shù)個,，則狀態(tài)返回到idle狀態(tài),。

　　指針屏蔽verilog代碼如下。

　　3.2 USB3.0中SKP添加

　　SKP添加模塊包括斷點保存,、寫指針跳躍與握手,、讀指針生成與輸出控制模塊 SKP添加發(fā)生在讀時鐘快于寫時鐘的時候，在正常情況下,，彈性緩沖的讀操作與普通的FIFO沒有任何區(qū)別,。

圖 9 SKP添加結(jié)構(gòu)

　　3.2.1 斷點保存

　　在常半滿模式下，讀寫指針相差8個時鐘,。因此在寫指針發(fā)生事件,，要經(jīng)過8個左右的 時鐘才能傳遞到讀指針。在出現(xiàn)SKP窗口的時候,，如果添加閥值標(biāo)志觸發(fā),，則讀指針要經(jīng)過8個時鐘才能添加SKP。

　　對于添加SKP對,，讀指針如何才能知道要添加多少呢,？因此讀指針需要寫指針去引導(dǎo)。在設(shè)計中,，采用了斷點保存和握手來解決,。在SKP窗口出現(xiàn)和添加閥值標(biāo)志有效時候,，寫指針在此時計算FIFO中的有效數(shù)據(jù)個數(shù)，根據(jù)FIFO中有效數(shù)據(jù)的個數(shù)與8的差距來決定wrptr_nxt所指向的下一個指針點,，這就是寫指針跳躍,。并且在寫時鐘域把當(dāng)前的寫指針和下一個所指向的指針點保存起來。在彈性緩沖設(shè)計中,，讀指針永遠(yuǎn)落后于寫指針,。

圖 10 寫指針保存斷點

　　3.2.2 握手

　　寫指針在出現(xiàn)SKP窗口和SKP添加閥值觸發(fā)的時候，發(fā)生了跳躍,，并保存了斷點,，但這只是在寫時鐘域。由于讀指針晚于寫指針,，因此采用握手來通知讀時鐘域何時添加SKP,。如下圖，當(dāng)SKP窗口出現(xiàn),，并且添加閥值觸發(fā)時,，彈性緩沖保存了斷點，并向讀時鐘域發(fā)起了請求（req）,，請求一直持續(xù)到讀指針讀到了斷點的起始地址（start_rptr）,，此時，讀指針讀到了斷點的起始地址,，并向?qū)憰r鐘發(fā)送收到（ack）,。當(dāng)寫時鐘域收到讀時鐘域的ack信號，撤銷req,。讀時鐘域一旦讀到了截止地址（end_ptr）自動撤銷ack信號,。在整個讀時鐘域的ack過程中，SKP對被添加,。

圖11 握手

　　3.2.3 輸出控制

　　彈性緩沖FIFO讀寫控制的過程中，寫先于讀,，首先根絕延遲要寫到規(guī)定的要求,，此時寫有效讀無效（定義為W1R0）。當(dāng)達(dá)到規(guī)定的閥值之后,，讀寫同時有效（W1R1）,。等到寫結(jié)束， 即一個包接收完畢,，但是讀不一定結(jié)束（W0R1）,，直至讀到空，即所有數(shù)據(jù)已經(jīng)同步到本地了（W0R0）表示此次任務(wù)結(jié)束,。這種流程控制為了保持這個數(shù)據(jù)的完整性,。

圖 12 讀寫流程控制

　　USB協(xié)議中明確規(guī)定SKP對為2個連續(xù)的SKP symbol,。根據(jù)8b10b原則，2個連續(xù)的SKP對的游程是相反的,，并且SKP對的添加要符合8b10b3的規(guī)則,。

　　中要求，在彈性緩沖下溢的時候,，要添加一個EDB字符,，并且顯性的用下溢標(biāo)志。如下圖,，在rx-g與rx-h之間,，由于讀快于寫，導(dǎo)致了下溢,。因此需要添加一個EDB字符,，并使能一個時鐘的下溢，并且置狀態(tài),。

圖 13 彈性緩沖下溢

　　PIPE3.0中要求,，在彈性緩沖上溢的時候，丟掉一個數(shù)據(jù),，并且置狀態(tài),。如下圖rx-f、rx-g與rx-h,，由于溢出,，rx-g被丟棄，并且置狀態(tài),。

圖 14 彈性緩沖上溢

　　5.總結(jié)

　　本文通過分析彈性緩沖的作用與機(jī)制,，采用異步時鐘FIFO來設(shè)計彈性緩沖。并且根據(jù)USB3.0協(xié)議要求,，提出了斷點保存,、指針跳躍與握手、指針屏蔽等方法來設(shè)計彈性緩沖,。本設(shè)計充分考慮了PIPE 3.0標(biāo)準(zhǔn)的要求與實際需要,，并且應(yīng)用于工程中，實現(xiàn)了彈性緩沖補償時鐘的目的,。