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USB3.0物理层中弹性缓冲设计

2011年11月22日 08:38 次阅读

  1.引言

  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。

  

USB3.0物理层接收部分结构

 

  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

  

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发表于 2010-10-28 09:41 485次阅读
USB3.0主机控制器Upd720200在嵌入式...

USB3.0外接硬盘开机进入操作系统

  近日,系微股份有限公司与USB3.0 IC设计厂商美商睿思科技(Fresco Logic)宣布双...

发表于 2010-10-27 08:49 3690次阅读
USB3.0外接硬盘开机进入操作系统

村田制作所对应USB3.0的用于降低辐射噪声的片...

【概 要】 株式会社村田制作所本次实现了用于降低电子设备的多余辐射噪声的1210尺寸的片状共模扼...

发表于 2010-07-29 09:00 286次阅读
村田制作所对应USB3.0的用于降低辐射噪声的片...

力科公司发布一款全新的USB3.0 协议分析仪

力科公司日前发布一款全新的USB3.0 协议分析仪,该产品被设计成能显著降低测试SuperSpeed...

发表于 2010-07-21 09:05 405次阅读
力科公司发布一款全新的USB3.0 协议分析仪

功耗、兼容性、性能的最高境界--USB3.0主控...

USB3.0在设备端战况白热,但在FrescoLogic切入市场之前,USB3.0的HOST端芯片产...

发表于 2010-06-25 08:16 365次阅读
功耗、兼容性、性能的最高境界--USB3.0主控...

基于USB3.0静电放电防护的解决方案

基于USB3.0静电放电防护的解决方案 在今年计算机硬件的热门话题中,USB3.0绝对是最受瞩目的...

发表于 2010-04-22 11:02 493次阅读
基于USB3.0静电放电防护的解决方案

英特尔关键角色USB3.0引爆的商机

英特尔关键角色USB3.0引爆的商机   USB3.0商机目前在市场 上究竟有多热?观察1月初在美...

发表于 2010-04-12 11:30 185次阅读
英特尔关键角色USB3.0引爆的商机

Intel计划推出一款独立的USB3.0控制器芯...

Intel计划推出一款独立的USB3.0控制器芯片   几个月前,Intel便已经明确表态称其下一...

发表于 2010-03-26 10:39 217次阅读
Intel计划推出一款独立的USB3.0控制器芯...

台湾技嘉科技推出了GA-H57M—USB3.0主...

台湾技嘉科技推出了GA-H57M—USB3.0主板 高调称占据USB3.0市场 近日,台湾技嘉科技...

发表于 2010-03-26 09:03 405次阅读
台湾技嘉科技推出了GA-H57M—USB3.0主...

USB3.0走势看好:传Intel计划推出一款独...

USB3.0走势看好:传Intel计划推出一款独立的USB3.0控制器芯片 几个月前,Intel便...

发表于 2010-03-26 09:01 223次阅读
USB3.0走势看好:传Intel计划推出一款独...

带USB3.0/SATA3扩展卡 精英H57主板...

带USB3.0/SATA3扩展卡 精英H57主板图片  主板提供了1条PCI-E 2.0...

发表于 2010-03-26 09:00 555次阅读
带USB3.0/SATA3扩展卡 精英H57主板...

USB2.0/USB3.0接口与eSATA对比

USB2.0/USB3.0接口与eSATA对比 在计算机硬件飞速发展的时代,外围设备日益增多,键盘...

发表于 2010-03-25 10:32 1504次阅读
USB2.0/USB3.0接口与eSATA对比

技嘉出售1百万片支持USB3.0接口的主板

技嘉出售1百万片支持USB3.0接口的主板 据最新消息透露,NEC已经出售了3百万以上的D720...

发表于 2010-03-25 10:29 471次阅读
技嘉出售1百万片支持USB3.0接口的主板

AMP推出eSATA/USB口U盘 可比USB3...

AMP推出eSATA/USB口U盘 可比USB3.0接口 近期全球著名存储厂商AMP发布了旗下一...

发表于 2010-03-25 10:28 321次阅读
AMP推出eSATA/USB口U盘 可比USB3...

技嘉推MINI—ITX主板-GA-H55H-US...

技嘉推MINI—ITX主板-GA-H55H-USB3 板载USB3.0接口 近日世界板卡生产知名品...

发表于 2010-03-25 10:25 260次阅读
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