实现USB3.0物理层中弹性缓冲的设计方案

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。