USB3.0物理層中彈性緩沖設計 - 全文

　　1.引言

　　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制，解釋了與其他設計的不同，并采用指針控制與握手的設計方法實現(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，變的十分關鍵。

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

　　圖 1USB3.0物理層接收部分結構

　　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，并用恢復出來的時鐘來恢復出數(shù)據(jù)(CDR)?；謴统鰜淼臄?shù)據(jù)在接收時鐘域進行串并轉(zhuǎn)換為10bit位寬并行數(shù)據(jù)1，并檢測USB3.0包起始標志符(K28.5)。一旦檢測到起始標志符K28.5，使能符號有效(symbol lock)，直至檢測到結束符號，才結束符號有效。

　　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。本文設計采用常半滿2(normal half full)模式來設計彈性緩沖，所以彈性緩沖容量為16，在正常情況下里面應該有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.彈性緩沖結構

　　常半滿模式下彈性緩沖的結構設計，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構

　　3.1 USB3.0中SKP刪除

　　當接收時鐘域的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入FIFO的數(shù)據(jù)是否為SKP，起到標注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)機來設計USB3.0中SKP對的刪除，如下圖。當SKP窗口無效的時候，狀態(tài)處于idle;當SKP窗口有效而且刪除閥值觸發(fā)時，狀態(tài)進入了屏蔽狀態(tài);在SKP窗口有效的情況，屏蔽狀態(tài)持續(xù)到刪除閥值標志無效;當SKP窗口無效，或者刪除閥值標志無效而且被屏蔽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添加結構

　　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。在設計中，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。在彈性緩沖設計中，讀指針永遠落后于寫指針。

　　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)。當達到規(guī)定的閥值之后，讀寫同時有效(W1R1)。等到寫結束，即一個包接收完畢，但是讀不一定結束(W0R1)，直至讀到空，即所有數(shù)據(jù)已經(jīng)同步到本地了(W0R0)表示此次任務結束。這種流程控制為了保持這個數(shù)據(jù)的完整性。