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)。恢復出來的數(shù)據(jù)在接收時鐘域進行串并轉換為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