摘 要： USB3.0幀同步電路設計的關鍵在于高速率下串行數(shù)據(jù)流的幀定位與數(shù)據(jù)對齊，需同時兼顧高效率和低功耗。使用Verilog HDL描述語言設計了一種基于多相位和并行檢測技術的幀同步電路，重點對并行檢測電路進行分析和優(yōu)化。該電路在ISE中編譯和仿真，結(jié)合數(shù)據(jù)進行分析，并將仿真結(jié)果進行比較驗證，證明該電路能滿足幀同步的速率和時序要求。
關鍵詞： USB3.0；多相位技術；并行檢測；幀同步；Verilog HDL
0 引言
近年來，USB（通用串行總線）作為一種標準的傳輸接口[1]，應用十分廣泛。從2008年11月首次發(fā)布USB3.0規(guī)范以來，在快速存儲、大數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)阮I域都出現(xiàn)了USB3.0[2]的身影，延續(xù)USB2.0時代的輝煌，繼續(xù)展現(xiàn)出強大的競爭力。與USB2.0高速版本的設計[3]相比，USB3.0的復雜度大大增加，尤其是5 Gb/s的差分傳輸速率成為設計者重點考慮的問題之一。高速率、低功耗是當前芯片設計的主流趨勢，在提高器件工作頻率的情況下，更需要有效地控制功耗。本文將介紹多相位技術在USB3.0幀同步系統(tǒng)設計中的應用，通過對并行檢測電路的優(yōu)化，實現(xiàn)系統(tǒng)復雜度、實用性以及功耗方面的平衡。
1 接收電路的功能與分析
USB3.0接收部分的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。
為了抑制共模干擾，USB3.0的數(shù)據(jù)采用差分輸入，經(jīng)過雙端轉(zhuǎn)單端電路，分為兩路送入時鐘數(shù)據(jù)恢復（Clock Data Recovery，CDR）模塊和串轉(zhuǎn)并模塊。
CDR模塊完成從串行數(shù)據(jù)流中提取時鐘信號的功能，送至時鐘管理模塊，得到625 MHz、500 MHz和125 MHz時鐘信號供其他模塊使用。
幀同步模塊完成對高速串行數(shù)據(jù)流的并行低速化，通過并行檢測幀定界符得到幀同步信號，同時控制時鐘管理模塊的時鐘輸出，完成數(shù)據(jù)的對齊處理，經(jīng)過彈性緩沖模塊得到500 MHz、10 bit的并行數(shù)據(jù)流。
幀同步模塊輸出的并行數(shù)據(jù)流先后通過8 b/10 b解碼模塊、解擾模塊得到500 MHz、8 bit數(shù)據(jù)流與控制信號；通過位寬拼接處理最終得到125 MHz、36 bit的數(shù)據(jù)流（其中包含32 bit數(shù)據(jù)和4 bit控制位）寫入數(shù)據(jù)FIFO，供LINK層讀取使用。
2 幀同步模塊的設計及要點
幀同步模塊是接收模塊的難點，主要由以下功能模塊組成：多相位串轉(zhuǎn)并模塊、并行幀定界符檢測模塊、并行數(shù)據(jù)流對齊模塊、彈性緩沖模塊。各大模塊及相關時鐘結(jié)構(gòu)電路如圖2所示。其中，串轉(zhuǎn)并模塊和并行檢測模塊是本設計的優(yōu)化重點。電路選用XLINX公司的Virtex-5芯片作為設計與測試平臺。
2.1 基于多相位技術的串轉(zhuǎn)并模塊設計
傳統(tǒng)的低速串轉(zhuǎn)并電路采用移位寄存器實現(xiàn)，電路的功耗與工作時鐘成線性關系。USB3.0的輸入信號高達5 Gb/s，移位寄存器產(chǎn)生的功耗很大，并且工藝要求很高，而0.15 m CMOS工藝條件只能達到3.0 Gb/s的頻率，繼續(xù)提升工作頻率極易引起電路的不穩(wěn)定。因此，有效地降低器件工作時鐘頻率，在降低器件功耗和降低生產(chǎn)工藝要求方面具有重要意義，同時對相同工藝下提升器件的性能也非常有效。
多相位技術的原理為：利用PLL將CDR恢復得到的f頻率時鐘分成多個頻率為f/N，彼此相位間隔為360°/N的時鐘信號，利用這N個時鐘對串行數(shù)據(jù)流進行分時采樣，在相移為0°的f/N頻率時鐘同步下，合并為N bit的數(shù)據(jù)。這種技術的優(yōu)勢在于：在不增加原有功能復雜度的情況下，利用PLL降低CMOS器件的運行時鐘，從而降低功耗。PLL的引入，能夠一定程度上改善恢復時鐘的抖動。在PLL設計中，當分頻值N取2的冪次方時，可有效簡化設計，在此N取2^3=8。
使用Verilog HDL[4]語言對1：8多相位串轉(zhuǎn)并模塊進行描述，部分關鍵代碼為：
always@（posedge clk_XXX or negedge rstn）begin
if（!rstn）pdata[n]<=1′b0；
else pdata[n]<=sdata_i；
end
其中clk_XXX代表clk_000~clk_315這8個相位間隔為45°的時鐘。采樣得到的數(shù)據(jù)以8 bit為單位送入并行檢測模塊。
經(jīng)過ISE綜合后模塊非常簡潔，RTL電路如圖3所示。
2.2 優(yōu)化并行幀定界符檢測模塊設計
根據(jù)USB3.0規(guī)范，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采用控制碼K28.5作為幀定界符。它的特殊性在于：在所有選定使用的控制碼與數(shù)據(jù)碼中，有且只有K28.5存在5個連續(xù)的高電平信號‘1’。因此，許多采用8 b/10 b編碼的傳輸系統(tǒng)都將其作為幀定界符。在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流中，檢測到“001111010”就可以判定新一幀的開始。
USB3.0發(fā)送部分的數(shù)據(jù)經(jīng)過8 b/10 b編碼后，數(shù)據(jù)塊由8 bit為單位轉(zhuǎn)換為10 bit為單位，常用的做法為：接收端在f/10的工作時鐘驅(qū)動下，并行檢測10個相鄰位置的10 bit數(shù)據(jù)。通過并行的方式，從而降低電路的運行速度要求，實際是以空間換時間的思想。雖然電路工作頻率降低，但整體功耗因電路規(guī)模的相應增大而沒有減小。
通過對并行檢測電路的分析可以發(fā)現(xiàn)：假定串轉(zhuǎn)并模塊采用1：N結(jié)構(gòu)，并行檢測模塊對M bit數(shù)據(jù)塊進行檢測，檢測單元的規(guī)模為N×M bit。在并行度M bit相同條件下，N越大，需要的邏輯運算單元就越多。串轉(zhuǎn)并模塊選擇1：8的比例，不僅可以簡化PLL設計，同時也能降低邏輯運算單元的消耗。
其次，減少檢測數(shù)據(jù)塊的并行度M也是重要途徑。根據(jù)K28.5的特點，在數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)那疤嵯轮恍铏z測其中7 bit，即“0011111”或者“1111101”[5]就能判定為K28.5碼。取M=7 bit，則只需要8×7=56 bit邏輯運算單元，相比未優(yōu)化前的10×10=100 bit邏輯運算單元減少44%，簡化了電路的結(jié)構(gòu)，能夠一定程度地提升器件的運行效率。
2.3 并行數(shù)據(jù)流對齊模塊設計
并行檢測模塊檢測到幀定界符后，需通過鎖定單元[6]鎖定當前的數(shù)據(jù)流分塊方式，鎖定單元結(jié)構(gòu)設計如圖4所示。
鎖定機構(gòu)的工作原理為：當某一檢測單元成功檢測到幀定界符K28.5的前7 bit，便可推斷數(shù)據(jù)流3 bit后即為實際所需數(shù)據(jù)流的起始位置，鎖定單元在下一時鐘沿鎖定當前檢測結(jié)果不再更改，并根據(jù)鎖定的結(jié)果在對應位置每次取出10 bit并行數(shù)據(jù)送至下級電路，直到檢測到當前幀結(jié)束或者復位解除鎖定。
鎖定單元關鍵代碼如下所示：
wire comma_detect[n]=detect_data_X==7′b1111100；
always@（posedge clk or negedge rstn）begin
if（!rstn）
comma_lock[n]<=1′b0；
else if（（!（|comma_lock[7：0]））|fram_end）
comma_lock[n]<=comma_detect[n]；
else
comma_lock[n]<=comma_lock[n]；
end
其中，n為0~7，detect_data_X表示第0~7個檢測單元。
由于串轉(zhuǎn)并模塊輸出為8 bit并行數(shù)據(jù)，根據(jù)USB3.0規(guī)范，實際送入彈性緩沖須為10 bit，因此需要使用位寬轉(zhuǎn)換電路對數(shù)據(jù)流位寬進行轉(zhuǎn)換。方法為：將8 bit位寬拼接成40 bit位寬，通過判斷鎖定單元輸出的comma_lock信號，重新選取對齊后的40 bit，最后分割成實際需要的10 bit位寬輸出。
3 仿真及驗證
編寫test bench，改變串行數(shù)據(jù)流中K28.5的位置，模擬發(fā)送數(shù)據(jù)幀，在ISim中對設計的電路進行仿真驗證，仿真波形如圖5所示。
經(jīng)過8組不同位置數(shù)據(jù)（在此只貼出2個結(jié)果）的對比可以看出，在不同的數(shù)據(jù)流中，幀定界符K28.5的位置總能夠被正確檢測，通過數(shù)據(jù)對齊模塊后成功分離出后續(xù)模塊所需10 bit并行數(shù)據(jù)，結(jié)果完全正確，且滿足運行500 MHz的運行速度要求。
4 結(jié)論
多相位技術能夠顯著降低器件的工作頻率，從而減少功耗，同時也可以降低制造器件的工藝難度；并行處理技術是當前高速電路發(fā)展的趨勢，合理地利用編碼自身特點，進行針對性的優(yōu)化，能夠使電路更加簡潔，運行速度更快。這兩者對于提高器件的性能而言，都具有十分重要的現(xiàn)實意義。
參考文獻
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