實現USB3.0物理層中彈性緩沖的設計方案

1.引言

　　彈性緩沖由Maurice Karnaugh在電話網絡中傳輸PCM信號中提出來的。隨后人們在很多不同的應用中采用了彈性緩沖技術來同步數據，很多協議例如USB、PCIE、以太網等。

　　USB3.0是一個高速，串行，源同步數據傳輸協議。但是數據經過傳輸線與原數據發生了很大的偏差。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。

　　2.彈性緩沖作用

　　2.1 USB3.0彈性緩沖作用域

　　在USB3.0中數據傳輸采用雙單工，因此物理層設計為接收、發送2組差分對傳輸部分。傳輸線是承載數據傳輸的載體。因此如何從傳輸線正確接收數據，并把它同步到系統內部時鐘域，變的十分關鍵。

　　USB3.0中規定的物理層接收部分結構圖如下，它包括差分接收、時鐘數據恢復、串并轉換和8B10B譯碼。

圖 1USB3.0物理層接收部分結構

　　整個數據流向自上而下，差分輸入經過差分接收，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據（CDR）。恢復出來的數據在接收時鐘域進行串并轉換為10bit位寬并行數據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據，所有的接收數據與控制都工作在接收時鐘域（receive clock）。因此彈性緩沖要把數據與控制同步到系統時鐘域（system clock）。把數據向下傳遞給8B10B譯碼模塊，而后傳遞給系統內部。

　　2.2 彈性緩沖容量

　　USB3.0中，協議規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，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協議規定每個SKP order sets為2個連續的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個數據，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據。