實(shí)現(xiàn)USB3.0物理層中彈性緩沖的設(shè)計(jì)方案

 1.引言

　　彈性緩沖由Maurice Karnaugh在電話網(wǎng)絡(luò)中傳輸PCM信號(hào)中提出來(lái)的。隨后人們?cè)诤芏嗖煌膽?yīng)用中采用了彈性緩沖技術(shù)來(lái)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(gè)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(guò)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(jì)的不同，并采用指針控制與握手的設(shè)計(jì)方法實(shí)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(jì)為接收、發(fā)送2組差分對(duì)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(shí)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(shí)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(gè)數(shù)據(jù)流向自上而下，差分輸入經(jīng)過(guò)差分接收，從差分信號(hào)中提取出時(shí)鐘，并用恢復(fù)出來(lái)的時(shí)鐘來(lái)恢復(fù)出數(shù)據(jù)（CDR）?；謴?fù)出來(lái)的數(shù)據(jù)在接收時(shí)鐘域進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換為10bit位寬并行數(shù)據(jù)1，并檢測(cè)USB3.0包起始標(biāo)志符（K28.5）。一旦檢測(cè)到起始標(biāo)志符K28.5，使能符號(hào)有效（symbol lock），直至檢測(cè)到結(jié)束符號(hào)，才結(jié)束符號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)鐘精度為-5300ppm到300ppm。而符號(hào)時(shí)鐘頻率為2ns即2000ps，最壞情況下每178個(gè)symbol添加或者刪除一個(gè)SKP，也就是每356個(gè)symbol添加或者刪除一個(gè)SKP對(duì)（SKP Order Sets）。USB3.0中包最長(zhǎng)為1052字節(jié)，所以最差情況下，最多可以添加或刪除8個(gè)SKP或者4個(gè)SKP對(duì)，所以彈性緩沖至少要能緩沖8個(gè)SKP。USB3.0協(xié)議規(guī)定每個(gè)SKP order sets為2個(gè)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(bǔ)的。

　　通過(guò)計(jì)算得知，彈性緩沖的緩沖容量為8。本文設(shè)計(jì)采用常半滿2（normal half full）模式來(lái)設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)據(jù)，剩下的8個(gè)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(gè)symbol，達(dá)到半滿，然后讀使能才可以有效，因此大約有8個(gè)時(shí)鐘的延遲。常半滿模式只有在symbol隊(duì)列中出現(xiàn)SKP對(duì)才能添加或者刪除SKP對(duì)。下圖為常半滿輸入輸出時(shí)序圖。

圖 2 常半滿輸入輸出時(shí)序

　　從上圖可以看出，rx_valid_out有效要晚于rx_valid_in約8個(gè)時(shí)鐘沿；而無(wú)效卻晚于rx_valid_out約0至16個(gè)時(shí)鐘沿（取決于時(shí)鐘精度差）。因此常半滿需要8個(gè)時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)鐘一樣快慢的時(shí)候，F(xiàn)IFO中有8個(gè)有效數(shù)據(jù)。

圖 3 常半滿讀寫同等速率

　　當(dāng)讀時(shí)鐘快于寫時(shí)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(shí)候，F(xiàn)IFO中的有效數(shù)據(jù)為4，比常態(tài)少4。所以此時(shí)，彈性緩沖應(yīng)該添加4個(gè)SKP，使得FIFO維持半滿，以此來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)鐘。此時(shí)讀指針向前跳躍4個(gè)間隔，并且當(dāng)讀指針讀到跳躍區(qū)間時(shí)，完成SKP添加。

圖 4 常半滿模式讀快于寫

　　當(dāng)讀時(shí)鐘慢于寫時(shí)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(shí)候， FIFO中有效數(shù)據(jù)為10，比常態(tài)多2. 所以此時(shí)，彈性緩沖應(yīng)該刪除2個(gè)SKP，使得FIFO維持半滿，以此來(lái)調(diào)節(jié)時(shí)鐘。此時(shí)寫指針應(yīng)該暫停2個(gè)時(shí)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(jì)，可以分為接收時(shí)鐘域控制、系統(tǒng)時(shí)鐘域控制、閥值檢測(cè)與同步。接收時(shí)鐘域控制包括，寫控制與寫指針控制。系統(tǒng)時(shí)鐘域控制包括讀控制與讀指針控制。閥值檢測(cè)與同步包括SKP添加刪除閥值與時(shí)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(shí)鐘域的symbol lock有效時(shí)，寫使能才可能有效。一直可以寫到FIFO處于半滿狀態(tài)，此時(shí)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(duì)的刪除。

圖 7 SKP對(duì)刪除

檢測(cè)單元用來(lái)檢測(cè)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(cè)單元一直監(jiān)測(cè)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(gè)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(duì)，以此來(lái)達(dá)到刪除SKP對(duì)的目的。但是USB3.0中的SKP都是成對(duì)出現(xiàn)的，因此刪除SKP對(duì)的時(shí)候要注意奇偶性。

　　所以采用狀態(tài)機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)USB3.0中SKP對(duì)的刪除，如下圖。當(dāng)SKP窗口無(wú)效的時(shí)候，狀態(tài)處于idle；當(dāng)SKP窗口有效而且刪除閥值觸發(fā)時(shí)，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(wú)效；當(dāng)SKP窗口無(wú)效，或者刪除閥值標(biāo)志無(wú)效而且被屏蔽SKP個(gè)數(shù)是偶數(shù)個(gè)，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(diǎn)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(shí)鐘快于寫時(shí)鐘的時(shí)候，在正常情況下，彈性緩沖的讀操作與普通的FIFO沒(méi)有任何區(qū)別。

圖 9 SKP添加結(jié)構(gòu)

　　3.2.1 斷點(diǎn)保存

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

　　對(duì)于添加SKP對(duì)，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(jì)中，采用了斷點(diǎn)保存和握手來(lái)解決。在SKP窗口出現(xiàn)和添加閥值標(biāo)志有效時(shí)候，寫指針在此時(shí)計(jì)算FIFO中的有效數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，根據(jù)FIFO中有效數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)與8的差距來(lái)決定wrptr_nxt所指向的下一個(gè)指針點(diǎn)，這就是寫指針跳躍。并且在寫時(shí)鐘域把當(dāng)前的寫指針和下一個(gè)所指向的指針點(diǎn)保存起來(lái)。在彈性緩沖設(shè)計(jì)中，讀指針永遠(yuǎn)落后于寫指針。

圖 10 寫指針保存斷點(diǎn)

　　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(shí)候，發(fā)生了跳躍，并保存了斷點(diǎn)，但這只是在寫時(shí)鐘域。由于讀指針晚于寫指針，因此采用握手來(lái)通知讀時(shí)鐘域何時(shí)添加SKP。如下圖，當(dāng)SKP窗口出現(xiàn)，并且添加閥值觸發(fā)時(shí)，彈性緩沖保存了斷點(diǎn)，并向讀時(shí)鐘域發(fā)起了請(qǐng)求（req），請(qǐng)求一直持續(xù)到讀指針讀到了斷點(diǎn)的起始地址（start_rptr），此時(shí)，讀指針讀到了斷點(diǎn)的起始地址，并向?qū)憰r(shí)鐘發(fā)送收到（ack）。當(dāng)寫時(shí)鐘域收到讀時(shí)鐘域的ack信號(hào)，撤銷req。讀時(shí)鐘域一旦讀到了截止地址（end_ptr）自動(dòng)撤銷ack信號(hào)。在整個(gè)讀時(shí)鐘域的ack過(guò)程中，SKP對(duì)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(guò)程中，寫先于讀，首先根絕延遲要寫到規(guī)定的要求，此時(shí)寫有效讀無(wú)效（定義為W1R0）。當(dāng)達(dá)到規(guī)定的閥值之后，讀寫同時(shí)有效（W1R1）。等到寫結(jié)束， 即一個(gè)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(gè)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(duì)為2個(gè)連續(xù)的SKP symbol。根據(jù)8b10b原則，2個(gè)連續(xù)的SKP對(duì)的游程是相反的，并且SKP對(duì)的添加要符合8b10b3的規(guī)則。

　　中要求，在彈性緩沖下溢的時(shí)候，要添加一個(gè)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(gè)EDB字符，并使能一個(gè)時(shí)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(shí)候，丟掉一個(gè)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(guò)分析彈性緩沖的作用與機(jī)制，采用異步時(shí)鐘FIFO來(lái)設(shè)計(jì)彈性緩沖。并且根據(jù)USB3.0協(xié)議要求，提出了斷點(diǎn)保存、指針跳躍與握手、指針屏蔽等方法來(lái)設(shè)計(jì)彈性緩沖。本設(shè)計(jì)充分考慮了PIPE 3.0標(biāo)準(zhǔn)的要求與實(shí)際需要，并且應(yīng)用于工程中，實(shí)現(xiàn)了彈性緩沖補(bǔ)償時(shí)鐘的目的。