FC-AL系統(tǒng)中FPGA的彈性緩存設(shè)計
[導(dǎo)讀]一個簡化的異步數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)如圖1所示。接收機端從接收到的來自串行鏈路的比特流中提取時鐘信號Clk1，作為其工作時鐘源；而發(fā)送機端采用本地晶振和鎖相環(huán)產(chǎn)生的時鐘Clk2，作為其工作時鐘源。接收機在時鐘Clk1的上升沿把數(shù)據(jù)寫入彈性緩存，發(fā)送機在時鐘Clk2的上升沿從彈性緩存中讀出數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。
引 言
一個簡化的異步數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)如圖1所示。接收機端從接收到的來自串行鏈路的比特流中提取時鐘信號Clk1，作為其工作時鐘源；而發(fā)送機端采用本地晶振和鎖相環(huán)產(chǎn)生的時鐘Clk2，作為其工作時鐘源。接收機在時鐘Clk1的上升沿把數(shù)據(jù)寫入彈性緩存，發(fā)送機在時鐘Clk2的上升沿從彈性緩存中讀出數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。
雖然光纖通道仲裁環(huán)中的所有通信設(shè)備必須工作在同一頻率，但圖1中兩個不同源的時鐘信號Clk1和Clk2除了在相位上可能存在差異外，由于制造工藝的因素，晶振產(chǎn)生時鐘時其頻率也是被允許有一定誤差存在的。這個誤差范圍為±100×10-6，即在每一百萬個理想時鐘周期的時間內(nèi)容許±100個時鐘周期的偏差。兩個不同的晶振產(chǎn)生同一頻率的時鐘時，它們之間可能存在的誤差最大為200×10-6。所以，對于由不同晶振產(chǎn)生的同一頻率的2個時鐘，除了相位上的不同外，在最壞情況下，經(jīng)過106／200=5 000個周期后，它們之間將出現(xiàn)一個時鐘周期的偏移。對于連續(xù)的數(shù)據(jù)流，由于用于時鐘同步的彈性緩存的大小有限，如果不能正確處理這個時鐘周期的偏移，將會導(dǎo)致緩存溢出，損壞有效數(shù)據(jù)，嚴重影響系統(tǒng)的性能。
1 FC-AL彈性緩存管理的基本原理
FC-AL通信系統(tǒng)中，也采用彈性緩存來解決數(shù)據(jù)在不同時鐘域的同步問題，并通過對彈性緩存的管理適時地向緩存中添加或刪除填充字，以控制緩存中有效傳輸字的數(shù)量(本設(shè)計中彈性緩存的存儲單位為字)，從而達到對時鐘傾斜的補償。填充字是FC-AL協(xié)議中定義的一類特殊的傳輸字，它們在幀與幀的間隙，且在幀界定符之外被傳輸。所以，彈性緩存的管理對這些特殊傳輸字進行的適當?shù)奶砑踊騽h除操作，不會損壞數(shù)據(jù)幀或影響環(huán)網(wǎng)的正常運作。何時對彈性緩存添加或刪除填充字，是由緩存的占用率來決定的。彈性緩存空間的使用狀態(tài)分為4個等級：添加填充字等待、保持狀態(tài)、低級別的刪除填充字等待以及高級別的刪除填充字等待。當彈性緩存的寫時鐘慢于讀時鐘時(如圖1中Clk1的頻率略低于Clk2的頻率)，緩存可能被讀空而出現(xiàn)誤讀，此時需要添加填充字，相當于增加緩存中可讀的數(shù)據(jù)量，防止緩存出現(xiàn)下溢；當彈性緩存的寫時鐘快于讀時鐘時(如圖1中Clk1的頻率略高Clk2的頻率)，緩存可能出現(xiàn)被寫滿導(dǎo)致錯誤的數(shù)據(jù)覆蓋，此時需要刪除填充字，以增加緩存中的可用空間防止緩存出現(xiàn)上溢。
彈性緩存管理的基本原理如圖2所示。假設(shè)彈性緩存的深度為4，圖中被標識為0或1的每一個小格代表彈性緩存的一個存儲空間。置1，表示相應(yīng)的存儲空間已被寫入有效數(shù)據(jù)，且未被讀出；置0，表示相應(yīng)的存儲空間未被寫入，或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)已被讀出。
由于對于緩存的讀操作必須是在有數(shù)據(jù)已寫入緩存后才能開始，假設(shè)當緩存中有2個空間被寫入時才開始讀操作。所以，對于隨后的彈性緩存管理，當緩存中剛好有2個空間被占用時，其處于保持狀態(tài)，執(zhí)行正常的讀寫操作；當緩存中超過2個的空間被占用時，其處于刪除填充字等待的狀態(tài)，說明寫時鐘的頻率高于讀時鐘的頻率，需要進行刪除填充字的操作；當緩存中少于2個空間被占用，其處于添加填充字等待狀態(tài)，說明寫時鐘的頻率低于讀時鐘的頻率，需要進行添加填充字的操作。
2硬件電路設(shè)計
用異步FIFO實現(xiàn)彈性緩存的關(guān)鍵是監(jiān)測緩存空間的占用率，以此來判斷讀寫時鐘可能存在的微小差異，預(yù)見彈性緩存可能出現(xiàn)讀空還是寫滿，并決定在何時進行填充字的添加或刪除操作，以及何種等級的刪除操作，并保證在添加或刪除操作之后不對其后的數(shù)據(jù)讀寫產(chǎn)生任何影響。需要注意的是，這里的添加或刪除填充字的操作都必須在讀時鐘域進行。
在異步數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，使用彈性緩存實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多時鐘域之間的同步存在兩個問題——數(shù)據(jù)延時和緩存大小。數(shù)據(jù)延時指的是，數(shù)據(jù)從被寫入緩存到從緩存中讀出的時間差。假設(shè)彈性緩存的大小為N，在不出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋的前提下，當前數(shù)據(jù)被寫入緩存的第N個存儲空間，而此時緩存中還有N-1個空間中的數(shù)據(jù)還未被讀出，至少在讀時鐘域看來是這樣的，那么當前被寫入的數(shù)據(jù)需要至少N-1個讀時鐘周期的延時后才能被讀出。由此可見，緩存空間越大，經(jīng)過緩存的數(shù)據(jù)的延時可能越大。但是，為了防止緩存將滿或?qū)⒖斩砑踊騽h除填充字的操作不能得到及時的執(zhí)行而致使緩存溢出，須設(shè)置較大的緩存空間，給緩存管理提供較充足的時間范圍，從而減小了緩存出現(xiàn)溢出的可能性。
為了獲得盡可能小的數(shù)據(jù)延時，同時不對數(shù)據(jù)的正常傳輸產(chǎn)生影響，在緩存大小滿足系統(tǒng)基本要求的情況下，如何更精確地判斷彈性緩存空間的占用率就變得很重要了。為了提高緩存管理的精度，本文中所采取的彈性緩存的設(shè)計方法如圖3所示。在寫時鐘的上升沿將數(shù)據(jù)寫入到基于寫時鐘上升沿的寫地址產(chǎn)生邏輯的輸出，即寫指針所指向的彈性緩存空間；在讀時鐘的上升沿將基于讀時鐘上升沿的讀地址產(chǎn)生邏輯的輸出，即讀指針所指向的彈性緩存空間的數(shù)據(jù)讀出。此外，還各設(shè)置了一個基于時鐘下降沿的讀和寫地址產(chǎn)生邏輯，但它們不對彈性緩存的讀寫操作產(chǎn)生影響。分別對基于讀時鐘上升沿的讀地址和經(jīng)過延時后的基于寫時鐘上升沿的寫地址，以及基于讀時鐘下降沿的讀地址和經(jīng)過延時后的基于寫時鐘下降沿的寫地址進行異步比較。綜合兩個比較結(jié)果，判斷因同頻但不同源的讀寫時鐘之間可能存在的差異而導(dǎo)致的彈性緩存空間占用率的變化。判斷得到的異步信號通過一個同步邏輯被同步到讀時鐘域，控制基于讀時鐘上升沿的讀地址產(chǎn)生邏輯的輸出，從而實現(xiàn)對彈性緩存中填充字的添加或刪除，達到預(yù)防緩存出現(xiàn)溢出的目的。
3仿真結(jié)果分析
用Verilog語言實現(xiàn)圖3所示電路的RTL描述，并對其用ModelSim進行仿真，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。兩圖中，CLK_rcv和CLK_local分別為頻率非常相近的緩存的寫時鐘和讀時鐘。
圖4中，CLK_rcv的時鐘頻率略低于CLK_local的時鐘頻率，彈性緩存有被讀空的可能。當CLK_local比CLK_rcv多出半個時鐘周期左右后，緩存管理就發(fā)出添加填充字的請求，以在最近的幀間隙進行添加操作。
圖5中，CLK_rcv的時鐘頻率略高于CLK_local的時鐘頻率，彈性緩存有被寫滿的可能。當CLK_local比CLK_rcv少了半個時鐘周期左右后就發(fā)出較低級別的刪除填充字的請求，以在最近的間隙進行刪除操作。若低級別的刪除操作未被及時執(zhí)行，致使緩存空間占用率進一步提高，則請求較高級別的刪除操作。
從圖4和圖5中可以看出，添加填充字，即在當前時鐘周期不讀緩存空間的數(shù)據(jù)，而是發(fā)送一個當前填充字；刪除填充字，即在條件滿足的情況下跳過當前讀地址空間，直接讀取下一個地址空間中的數(shù)據(jù)。
結(jié) 語
本文提出的彈性緩存設(shè)計方法，充分利用了光纖通道協(xié)議的特性，通過提高對彈性緩存的管理精度，減小了數(shù)據(jù)在彈性緩存中可能的最大延時，有利于提高仲裁環(huán)網(wǎng)的整體性能。
一個簡化的異步數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)如圖1所示。接收機端從接收到的來自串行鏈路的比特流中提取時鐘信號Clk1，作為其工作時鐘源；而發(fā)送機端采用本地晶振和鎖相環(huán)產(chǎn)生的時鐘Clk2，作為其工作時鐘源。接收機在時鐘Clk1的上升沿把數(shù)據(jù)寫入彈性緩存，發(fā)送機在時鐘Clk2的上升沿從彈性緩存中讀出數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。
雖然光纖通道仲裁環(huán)中的所有通信設(shè)備必須工作在同一頻率，但圖1中兩個不同源的時鐘信號Clk1和Clk2除了在相位上可能存在差異外，由于制造工藝的因素，晶振產(chǎn)生時鐘時其頻率也是被允許有一定誤差存在的。這個誤差范圍為±100×10-6，即在每一百萬個理想時鐘周期的時間內(nèi)容許±100個時鐘周期的偏差。兩個不同的晶振產(chǎn)生同一頻率的時鐘時，它們之間可能存在的誤差最大為200×10-6。所以，對于由不同晶振產(chǎn)生的同一頻率的2個時鐘，除了相位上的不同外，在最壞情況下，經(jīng)過106／200=5 000個周期后，它們之間將出現(xiàn)一個時鐘周期的偏移。對于連續(xù)的數(shù)據(jù)流，由于用于時鐘同步的彈性緩存的大小有限，如果不能正確處理這個時鐘周期的偏移，將會導(dǎo)致緩存溢出，損壞有效數(shù)據(jù)，嚴重影響系統(tǒng)的性能。
1 FC-AL彈性緩存管理的基本原理
FC-AL通信系統(tǒng)中，也采用彈性緩存來解決數(shù)據(jù)在不同時鐘域的同步問題，并通過對彈性緩存的管理適時地向緩存中添加或刪除填充字，以控制緩存中有效傳輸字的數(shù)量(本設(shè)計中彈性緩存的存儲單位為字)，從而達到對時鐘傾斜的補償。填充字是FC-AL協(xié)議中定義的一類特殊的傳輸字，它們在幀與幀的間隙，且在幀界定符之外被傳輸。所以，彈性緩存的管理對這些特殊傳輸字進行的適當?shù)奶砑踊騽h除操作，不會損壞數(shù)據(jù)幀或影響環(huán)網(wǎng)的正常運作。何時對彈性緩存添加或刪除填充字，是由緩存的占用率來決定的。彈性緩存空間的使用狀態(tài)分為4個等級：添加填充字等待、保持狀態(tài)、低級別的刪除填充字等待以及高級別的刪除填充字等待。當彈性緩存的寫時鐘慢于讀時鐘時(如圖1中Clk1的頻率略低于Clk2的頻率)，緩存可能被讀空而出現(xiàn)誤讀，此時需要添加填充字，相當于增加緩存中可讀的數(shù)據(jù)量，防止緩存出現(xiàn)下溢；當彈性緩存的寫時鐘快于讀時鐘時(如圖1中Clk1的頻率略高Clk2的頻率)，緩存可能出現(xiàn)被寫滿導(dǎo)致錯誤的數(shù)據(jù)覆蓋，此時需要刪除填充字，以增加緩存中的可用空間防止緩存出現(xiàn)上溢。
彈性緩存管理的基本原理如圖2所示。假設(shè)彈性緩存的深度為4，圖中被標識為0或1的每一個小格代表彈性緩存的一個存儲空間。置1，表示相應(yīng)的存儲空間已被寫入有效數(shù)據(jù)，且未被讀出；置0，表示相應(yīng)的存儲空間未被寫入，或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)已被讀出。
由于對于緩存的讀操作必須是在有數(shù)據(jù)已寫入緩存后才能開始，假設(shè)當緩存中有2個空間被寫入時才開始讀操作。所以，對于隨后的彈性緩存管理，當緩存中剛好有2個空間被占用時，其處于保持狀態(tài)，執(zhí)行正常的讀寫操作；當緩存中超過2個的空間被占用時，其處于刪除填充字等待的狀態(tài)，說明寫時鐘的頻率高于讀時鐘的頻率，需要進行刪除填充字的操作；當緩存中少于2個空間被占用，其處于添加填充字等待狀態(tài)，說明寫時鐘的頻率低于讀時鐘的頻率，需要進行添加填充字的操作。
2硬件電路設(shè)計
用異步FIFO實現(xiàn)彈性緩存的關(guān)鍵是監(jiān)測緩存空間的占用率，以此來判斷讀寫時鐘可能存在的微小差異，預(yù)見彈性緩存可能出現(xiàn)讀空還是寫滿，并決定在何時進行填充字的添加或刪除操作，以及何種等級的刪除操作，并保證在添加或刪除操作之后不對其后的數(shù)據(jù)讀寫產(chǎn)生任何影響。需要注意的是，這里的添加或刪除填充字的操作都必須在讀時鐘域進行。
在異步數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，使用彈性緩存實現(xiàn)數(shù)據(jù)在多時鐘域之間的同步存在兩個問題——數(shù)據(jù)延時和緩存大小。數(shù)據(jù)延時指的是，數(shù)據(jù)從被寫入緩存到從緩存中讀出的時間差。假設(shè)彈性緩存的大小為N，在不出現(xiàn)數(shù)據(jù)覆蓋的前提下，當前數(shù)據(jù)被寫入緩存的第N個存儲空間，而此時緩存中還有N-1個空間中的數(shù)據(jù)還未被讀出，至少在讀時鐘域看來是這樣的，那么當前被寫入的數(shù)據(jù)需要至少N-1個讀時鐘周期的延時后才能被讀出。由此可見，緩存空間越大，經(jīng)過緩存的數(shù)據(jù)的延時可能越大。但是，為了防止緩存將滿或?qū)⒖斩砑踊騽h除填充字的操作不能得到及時的執(zhí)行而致使緩存溢出，須設(shè)置較大的緩存空間，給緩存管理提供較充足的時間范圍，從而減小了緩存出現(xiàn)溢出的可能性。
為了獲得盡可能小的數(shù)據(jù)延時，同時不對數(shù)據(jù)的正常傳輸產(chǎn)生影響，在緩存大小滿足系統(tǒng)基本要求的情況下，如何更精確地判斷彈性緩存空間的占用率就變得很重要了。為了提高緩存管理的精度，本文中所采取的彈性緩存的設(shè)計方法如圖3所示。在寫時鐘的上升沿將數(shù)據(jù)寫入到基于寫時鐘上升沿的寫地址產(chǎn)生邏輯的輸出，即寫指針所指向的彈性緩存空間；在讀時鐘的上升沿將基于讀時鐘上升沿的讀地址產(chǎn)生邏輯的輸出，即讀指針所指向的彈性緩存空間的數(shù)據(jù)讀出。此外，還各設(shè)置了一個基于時鐘下降沿的讀和寫地址產(chǎn)生邏輯，但它們不對彈性緩存的讀寫操作產(chǎn)生影響。分別對基于讀時鐘上升沿的讀地址和經(jīng)過延時后的基于寫時鐘上升沿的寫地址，以及基于讀時鐘下降沿的讀地址和經(jīng)過延時后的基于寫時鐘下降沿的寫地址進行異步比較。綜合兩個比較結(jié)果，判斷因同頻但不同源的讀寫時鐘之間可能存在的差異而導(dǎo)致的彈性緩存空間占用率的變化。判斷得到的異步信號通過一個同步邏輯被同步到讀時鐘域，控制基于讀時鐘上升沿的讀地址產(chǎn)生邏輯的輸出，從而實現(xiàn)對彈性緩存中填充字的添加或刪除，達到預(yù)防緩存出現(xiàn)溢出的目的。
3仿真結(jié)果分析
用Verilog語言實現(xiàn)圖3所示電路的RTL描述，并對其用ModelSim進行仿真，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。兩圖中，CLK_rcv和CLK_local分別為頻率非常相近的緩存的寫時鐘和讀時鐘。
圖4中，CLK_rcv的時鐘頻率略低于CLK_local的時鐘頻率，彈性緩存有被讀空的可能。當CLK_local比CLK_rcv多出半個時鐘周期左右后，緩存管理就發(fā)出添加填充字的請求，以在最近的幀間隙進行添加操作。
圖5中，CLK_rcv的時鐘頻率略高于CLK_local的時鐘頻率，彈性緩存有被寫滿的可能。當CLK_local比CLK_rcv少了半個時鐘周期左右后就發(fā)出較低級別的刪除填充字的請求，以在最近的間隙進行刪除操作。若低級別的刪除操作未被及時執(zhí)行，致使緩存空間占用率進一步提高，則請求較高級別的刪除操作。
從圖4和圖5中可以看出，添加填充字，即在當前時鐘周期不讀緩存空間的數(shù)據(jù)，而是發(fā)送一個當前填充字；刪除填充字，即在條件滿足的情況下跳過當前讀地址空間，直接讀取下一個地址空間中的數(shù)據(jù)。
結(jié) 語
本文提出的彈性緩存設(shè)計方法，充分利用了光纖通道協(xié)議的特性，通過提高對彈性緩存的管理精度，減小了數(shù)據(jù)在彈性緩存中可能的最大延時，有利于提高仲裁環(huán)網(wǎng)的整體性能。
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