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