实现USB3.0物理层中弹性缓冲的设计方案

 1.引言

　　弹性缓冲由Maurice Karnaugh在电话网络中传输PCM信号中提出来的。随后人们在很多不同的应用中采用了弹性缓冲技术来同步数据，很多协议例如USB、PCIE、以太网等。

　　USB3.0是一个高速，串行，源同步数据传输协议。但是数据经过传输线与原数据发生了很大的偏差。本文从USB3.0的角度分析了弹性缓冲机制，解释了与其他设计的不同，并采用指针控制与握手的设计方法实现。

　　2.弹性缓冲作用

　　2.1 USB3.0弹性缓冲作用域

　　在USB3.0中数据传输采用双单工，因此物理层设计为接收、发送2组差分对传输部分。传输线是承载数据传输的载体。因此如何从传输线正确接收数据，并把它同步到系统内部时钟域，变的十分关键。

　　USB3.0中规定的物理层接收部分结构图如下，它包括差分接收、时钟数据恢复、串并转换和8B10B译码。

图 1USB3.0物理层接收部分结构

　　整个数据流向自上而下，差分输入经过差分接收，从差分信号中提取出时钟，并用恢复出来的时钟来恢复出数据（CDR）。恢复出来的数据在接收时钟域进行串并转换为10bit位宽并行数据1，并检测USB3.0包起始标志符（K28.5）。一旦检测到起始标志符K28.5，使能符号有效（symbol lock），直至检测到结束符号，才结束符号有效。

　　弹性缓冲从串并转换接收数据，所有的接收数据与控制都工作在接收时钟域（receive clock）。因此弹性缓冲要把数据与控制同步到系统时钟域（system clock）。把数据向下传递给8B10B译码模块，而后传递给系统内部。

　　2.2 弹性缓冲容量

　　USB3.0中，协议规定允许的时钟精度为-5300ppm到300ppm。而符号时钟频率为2ns即2000ps，最坏情况下每178个symbol添加或者删除一个SKP，也就是每356个symbol添加或者删除一个SKP对（SKP Order Sets）。USB3.0中包最长为1052字节，所以最差情况下，最多可以添加或删除8个SKP或者4个SKP对，所以弹性缓冲至少要能缓冲8个SKP。USB3.0协议规定每个SKP order sets为2个连续的SKP symbol。因此在10B8B译码前，SKP order set的游程（running disparity）应该是互补的。

　　通过计算得知，弹性缓冲的缓冲容量为8。本文设计采用常半满2（normal half full）模式来设计弹性缓冲，所以弹性缓冲容量为16，在正常情况下里面应该有8个数据，剩下的8个为缓冲空间，因此叫常半满。常半满模式首先要向缓冲中写满8个symbol，达到半满，然后读使能才可以有效，因此大约有8个时钟的延迟。常半满模式只有在symbol队列中出现SKP对才能添加或者删除SKP对。下图为常半满输入输出时序图。

图 2 常半满输入输出时序

　　从上图可以看出，rx_valid_out有效要晚于rx_valid_in约8个时钟沿；而无效却晚于rx_valid_out约0至16个时钟沿（取决于时钟精度差）。因此常半满需要8个时钟延迟才能输出数据。

　　2.3 弹性缓冲机制

　　弹性缓冲本质上是读写同时受控的异步FIFO，常半满（normal half full）FIFO，其深度为16，首先要写满8个有效数据，并一直维持在半满的状态。因此在正常情况下，FIFO一直处于或接近半满状态，当读写时钟一样快慢的时候，FIFO中有8个有效数据。

图 3 常半满读写同等速率

　　当读时钟快于写时钟，读出的数据多于写入的数据，常半满模式可能导致FIFO中的数据数量少于8，甚至有可能被读空。如下图所示，在出现SKP窗口的时候，FIFO中的有效数据为4，比常态少4。所以此时，弹性缓冲应该添加4个SKP，使得FIFO维持半满，以此来调节时钟。此时读指针向前跳跃4个间隔，并且当读指针读到跳跃区间时，完成SKP添加。

图 4 常半满模式读快于写

　　当读时钟慢于写时钟，写入的数据多于读出的数据，常半满模式可能导致FIFO中的数据数量多于8，甚至有可能被写满。如下图所示，在出现SKP窗口的时候， FIFO中有效数据为10，比常态多2. 所以此时，弹性缓冲应该删除2个SKP，使得FIFO维持半满，以此来调节时钟。此时写指针应该暂停2个时钟周期，完成SKP删除。

图 5 常半满写快于读

　　3.弹性缓冲结构

　　常半满模式下弹性缓冲的结构设计，可以分为接收时钟域控制、系统时钟域控制、阀值检测与同步。接收时钟域控制包括，写控制与写指针控制。系统时钟域控制包括读控制与读指针控制。阀值检测与同步包括SKP添加删除阀值与时钟域之间的同步。

图 6 常半满模式弹性缓冲结构

　　3.1 USB3.0中SKP删除

　　当接收时钟域的symbol lock有效时，写使能才可能有效。一直可以写到FIFO处于半满状态，此时FIFO处于临界状态，读写速率的差别将导致不同阀值的触发。下图是SKP对的删除。

图 7 SKP对删除

检测单元用来检测进入FIFO的数据是否为SKP，起到标注SKP窗口的作用，为SKP的删除提供了窗口。阀值监测单元一直监测FIFO中有效数据的数量。如果数量大于删除阀值（FIFO中有10个有效数据），并且SKP窗口有效，那么弹性缓冲暂停指针，屏蔽SKP对，以此来达到删除SKP对的目的。但是USB3.0中的SKP都是成对出现的，因此删除SKP对的时候要注意奇偶性。

　　所以采用状态机来设计USB3.0中SKP对的删除，如下图。当SKP窗口无效的时候，状态处于idle；当SKP窗口有效而且删除阀值触发时，状态进入了屏蔽状态；在SKP窗口 有效的情况，屏蔽状态持续到删除阀值标志无效；当SKP窗口无效，或者删除阀值标志无效而且被屏蔽SKP个数是偶数个，则状态返回到idle状态。

　　指针屏蔽verilog代码如下。

　　3.2 USB3.0中SKP添加

　　SKP添加模块包括断点保存、写指针跳跃与握手、读指针生成与输出控制模块 SKP添加发生在读时钟快于写时钟的时候，在正常情况下，弹性缓冲的读操作与普通的FIFO没有任何区别。

图 9 SKP添加结构

　　3.2.1 断点保存

　　在常半满模式下，读写指针相差8个时钟。因此在写指针发生事件，要经过8个左右的 时钟才能传递到读指针。在出现SKP窗口的时候，如果添加阀值标志触发，则读指针要经过8个时钟才能添加SKP。

　　对于添加SKP对，读指针如何才能知道要添加多少呢？因此读指针需要写指针去引导。在设计中，采用了断点保存和握手来解决。在SKP窗口出现和添加阀值标志有效时候，写指针在此时计算FIFO中的有效数据个数，根据FIFO中有效数据的个数与8的差距来决定wrptr_nxt所指向的下一个指针点，这就是写指针跳跃。并且在写时钟域把当前的写指针和下一个所指向的指针点保存起来。在弹性缓冲设计中，读指针永远落后于写指针。

图 10 写指针保存断点

　　3.2.2 握手

　　写指针在出现SKP窗口和SKP添加阀值触发的时候，发生了跳跃，并保存了断点，但这只是在写时钟域。由于读指针晚于写指针，因此采用握手来通知读时钟域何时添加SKP。如下图，当SKP窗口出现，并且添加阀值触发时，弹性缓冲保存了断点，并向读时钟域发起了请求（req），请求一直持续到读指针读到了断点的起始地址（start_rptr），此时，读指针读到了断点的起始地址，并向写时钟发送收到（ack）。当写时钟域收到读时钟域的ack信号，撤销req。读时钟域一旦读到了截止地址（end_ptr）自动撤销ack信号。在整个读时钟域的ack过程中，SKP对被添加。

图11 握手

　　3.2.3 输出控制

　　弹性缓冲FIFO读写控制的过程中，写先于读，首先根绝延迟要写到规定的要求，此时写有效读无效（定义为W1R0）。当达到规定的阀值之后，读写同时有效（W1R1）。等到写结束， 即一个包接收完毕，但是读不一定结束（W0R1），直至读到空，即所有数据已经同步到本地了（W0R0）表示此次任务结束。这种流程控制为了保持这个数据的完整性。

图 12 读写流程控制

　　USB协议中明确规定SKP对为2个连续的SKP symbol。根据8b10b原则，2个连续的SKP对的游程是相反的，并且SKP对的添加要符合8b10b3的规则。

　　中要求，在弹性缓冲下溢的时候，要添加一个EDB字符，并且显性的用下溢标志。如下图，在rx-g与rx-h之间，由于读快于写，导致了下溢。因此需要添加一个EDB字符，并使能一个时钟的下溢，并且置状态。

图 13 弹性缓冲下溢

　　PIPE3.0中要求，在弹性缓冲上溢的时候，丢掉一个数据，并且置状态。如下图rx-f、rx-g与rx-h，由于溢出，rx-g被丢弃，并且置状态。

图 14 弹性缓冲上溢

　　5.总结

　　本文通过分析弹性缓冲的作用与机制，采用异步时钟FIFO来设计弹性缓冲。并且根据USB3.0协议要求，提出了断点保存、指针跳跃与握手、指针屏蔽等方法来设计弹性缓冲。本设计充分考虑了PIPE 3.0标准的要求与实际需要，并且应用于工程中，实现了弹性缓冲补偿时钟的目的。