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。
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個有效數據，并一直維持在半滿的狀態。因此在正常情況下，FIFO一直處于或接近半滿狀態，當讀寫時鐘一樣快慢的時候，FIFO中有8個有效數據。
圖 3 常半滿讀寫同等速率
當讀時鐘快于寫時鐘，讀出的數據多于寫入的數據，常半滿模式可能導致FIFO中的數據數量少于8，甚至有可能被讀空。如下圖所示，在出現SKP窗口的時候，FIFO中的有效數據為4，比常態少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，寫入的數據多于讀出的數據，常半滿模式可能導致FIFO中的數據數量多于8，甚至有可能被寫滿。如下圖所示，在出現SKP窗口的時候， FIFO中有效數據為10，比常態多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
3.彈性緩沖結構
常半滿模式下彈性緩沖的結構設計，可以分為接收時鐘域控制、系統時鐘域控制、閥值檢測與同步。接收時鐘域控制包括，寫控制與寫指針控制。系統時鐘域控制包括讀控制與讀指針控制。閥值檢測與同步包括SKP添加刪除閥值與時鐘域之間的同步。
圖 6 常半滿模式彈性緩沖結構
3.1 USB3.0中SKP刪除
當接收時鐘域的symbol lock有效時，寫使能才可能有效。一直可以寫到FIFO處于半滿狀態，此時FIFO處于臨界狀態，讀寫速率的差別將導致不同閥值的觸發。下圖是SKP對的刪除。
圖 7 SKP對刪除
檢測單元用來檢測進入FIFO的數據是否為SKP，起到標注SKP窗口的作用，為SKP的刪除提供了窗口。閥值監測單元一直監測FIFO中有效數據的數量。如果數量大于刪除閥值（FIFO中有10個有效數據），并且SKP窗口有效，那么彈性緩沖暫停指針，屏蔽SKP對，以此來達到刪除SKP對的目的。但是USB3.0中的SKP都是成對出現的，因此刪除SKP對的時候要注意奇偶性。
所以采用狀態機來設計USB3.0中SKP對的刪除，如下圖。當SKP窗口無效的時候，狀態處于idle；當SKP窗口有效而且刪除閥值觸發時，狀態進入了屏蔽狀態；在SKP窗口 有效的情況，屏蔽狀態持續到刪除閥值標志無效；當SKP窗口無效，或者刪除閥值標志無效而且被屏蔽SKP個數是偶數個，則狀態返回到idle狀態。
指針屏蔽verilog代碼如下。
3.2 USB3.0中SKP添加
SKP添加模塊包括斷點保存、寫指針跳躍與握手、讀指針生成與輸出控制模塊 SKP添加發生在讀時鐘快于寫時鐘的時候，在正常情況下，彈性緩沖的讀操作與普通的FIFO沒有任何區別。
圖 9 SKP添加結構
3.2.1 斷點保存
在常半滿模式下，讀寫指針相差8個時鐘。因此在寫指針發生事件，要經過8個左右的 時鐘才能傳遞到讀指針。在出現SKP窗口的時候，如果添加閥值標志觸發，則讀指針要經過8個時鐘才能添加SKP。
對于添加SKP對，讀指針如何才能知道要添加多少呢？因此讀指針需要寫指針去引導。在設計中，采用了斷點保存和握手來解決。在SKP窗口出現和添加閥值標志有效時候，寫指針在此時計算FIFO中的有效數據個數，根據FIFO中有效數據的個數與8的差距來決定wrptr_nxt所指向的下一個指針點，這就是寫指針跳躍。并且在寫時鐘域把當前的寫指針和下一個所指向的指針點保存起來。在彈性緩沖設計中，讀指針永遠落后于寫指針。
圖 10 寫指針保存斷點
3.2.2 握手
寫指針在出現SKP窗口和SKP添加閥值觸發的時候，發生了跳躍，并保存了斷點，但這只是在寫時鐘域。由于讀指針晚于寫指針，因此采用握手來通知讀時鐘域何時添加SKP。如下圖，當SKP窗口出現，并且添加閥值觸發時，彈性緩沖保存了斷點，并向讀時鐘域發起了請求（req），請求一直持續到讀指針讀到了斷點的起始地址（start_rptr），此時，讀指針讀到了斷點的起始地址，并向寫時鐘發送收到（ack）。當寫時鐘域收到讀時鐘域的ack信號，撤銷req。讀時鐘域一旦讀到了截止地址（end_ptr）自動撤銷ack信號。在整個讀時鐘域的ack過程中，SKP對被添加。
圖11 握手
3.2.3 輸出控制
彈性緩沖FIFO讀寫控制的過程中，寫先于讀，首先根絕延遲要寫到規定的要求，此時寫有效讀無效（定義為W1R0）。當達到規定的閥值之后，讀寫同時有效（W1R1）。等到寫結束， 即一個包接收完畢，但是讀不一定結束（W0R1），直至讀到空，即所有數據已經同步到本地了（W0R0）表示此次任務結束。這種流程控制為了保持這個數據的完整性。
圖 12 讀寫流程控制
USB協議中明確規定SKP對為2個連續的SKP symbol。根據8b10b原則，2個連續的SKP對的游程是相反的，并且SKP對的添加要符合8b10b3的規則。
中要求，在彈性緩沖下溢的時候，要添加一個EDB字符，并且顯性的用下溢標志。如下圖，在rx-g與rx-h之間，由于讀快于寫，導致了下溢。因此需要添加一個EDB字符，并使能一個時鐘的下溢，并且置狀態。
圖 13 彈性緩沖下溢
PIPE3.0中要求，在彈性緩沖上溢的時候，丟掉一個數據，并且置狀態。如下圖rx-f、rx-g與rx-h，由于溢出，rx-g被丟棄，并且置狀態。
圖 14 彈性緩沖上溢
5.總結
本文通過分析彈性緩沖的作用與機制，采用異步時鐘FIFO來設計彈性緩沖。并且根據USB3.0協議要求，提出了斷點保存、指針跳躍與握手、指針屏蔽等方法來設計彈性緩沖。本設計充分考慮了PIPE 3.0標準的要求與實際需要，并且應用于工程中，實現了彈性緩沖補償時鐘的目的。