USB3.0物理層中彈性緩沖設(shè)計(jì)

　　1.引言

　　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。

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　　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)過差分接收，從差分信號中提取出時(shí)鐘，并用恢復(fù)出來的時(shí)鐘來恢復(fù)出數(shù)據(jù)(CDR)?；謴?fù)出來的數(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(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(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(gè)SKP或者4個(gè)SKP對，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對才能添加或者刪除SKP對。下圖為常半滿輸入輸出時(shí)序圖。

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　　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)。

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　　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。

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　　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。

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　　圖 5 常半滿寫快于讀