FC-AL系統(tǒng)中FPGA的彈性緩存設(shè)計(jì)

引  言

一個(gè)簡化的異步數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)如圖1所示。接收機(jī)端從接收到的來自串行鏈路的比特流中提取時(shí)鐘信號(hào)Clk1，作為其工作時(shí)鐘源；而發(fā)送機(jī)端采用本地晶振和鎖相環(huán)產(chǎn)生的時(shí)鐘Clk2，作為其工作時(shí)鐘源。接收機(jī)在時(shí)鐘Clk1的上升沿把數(shù)據(jù)寫入彈性緩存，發(fā)送機(jī)在時(shí)鐘Clk2的上升沿從彈性緩存中讀出數(shù)據(jù)，從而實(shí)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(gè)不同源的時(shí)鐘信號(hào)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(shí)鐘時(shí)其頻率也是被允許有一定誤差存在的。這個(gè)誤差范圍為±100×10-6，即在每一百萬個(gè)理想時(shí)鐘周期的時(shí)間內(nèi)容許±100個(gè)時(shí)鐘周期的偏差。兩個(gè)不同的晶振產(chǎn)生同一頻率的時(shí)鐘時(shí)，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(gè)時(shí)鐘，除了相位上的不同外，在最壞情況下，經(jīng)過106／200=5 000個(gè)周期后，它們之間將出現(xiàn)一個(gè)時(shí)鐘周期的偏移。對于連續(xù)的數(shù)據(jù)流，由于用于時(shí)鐘同步的彈性緩存的大小有限，如果不能正確處理這個(gè)時(shí)鐘周期的偏移，將會(huì)導(dǎo)致緩存溢出，損壞有效數(shù)據(jù)，嚴(yán)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(shí)鐘域的同步問題，并通過對彈性緩存的管理適時(shí)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(jì)中彈性緩存的存儲(chǔ)單位為字)，從而達(dá)到對時(shí)鐘傾斜的補(bǔ)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(jìn)行的適當(dāng)?shù)奶砑踊騽h除操作，不會(huì)損壞數(shù)據(jù)幀或影響環(huán)網(wǎng)的正常運(yùn)作。何時(shí)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(gè)等級(jí)：添加填充字等待、保持狀態(tài)、低級(jí)別的刪除填充字等待以及高級(jí)別的刪除填充字等待。當(dāng)彈性緩存的寫時(shí)鐘慢于讀時(shí)鐘時(shí)(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(shí)需要添加填充字，相當(dāng)于增加緩存中可讀的數(shù)據(jù)量，防止緩存出現(xiàn)下溢；當(dāng)彈性緩存的寫時(shí)鐘快于讀時(shí)鐘時(shí)(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(cuò)誤的數(shù)據(jù)覆蓋，此時(shí)需要?jiǎng)h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(biāo)識(shí)為0或1的每一個(gè)小格代表彈性緩存的一個(gè)存儲(chǔ)空間。置1，表示相應(yīng)的存儲(chǔ)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(chǔ)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(dāng)緩存中有2個(gè)空間被寫入時(shí)才開始讀操作。所以，對于隨后的彈性緩存管理，當(dāng)緩存中剛好有2個(gè)空間被占用時(shí)，其處于保持狀態(tài)，執(zhí)行正常的讀寫操作；當(dāng)緩存中超過2個(gè)的空間被占用時(shí)，其處于刪除填充字等待的狀態(tài)，說明寫時(shí)鐘的頻率高于讀時(shí)鐘的頻率，需要進(jìn)行刪除填充字的操作；當(dāng)緩存中少于2個(gè)空間被占用，其處于添加填充字等待狀態(tài)，說明寫時(shí)鐘的頻率低于讀時(shí)鐘的頻率，需要進(jìn)行添加填充字的操作。

2硬件電路設(shè)計(jì)

用異步FIFO實(shí)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(shí)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(shí)進(jìn)行填充字的添加或刪除操作，以及何種等級(jí)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(shí)鐘域進(jìn)行。

在異步數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中，使用彈性緩存實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在多時(shí)鐘域之間的同步存在兩個(gè)問題——數(shù)據(jù)延時(shí)和緩存大小。數(shù)據(jù)延時(shí)指的是，數(shù)據(jù)從被寫入緩存到從緩存中讀出的時(shí)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(dāng)前數(shù)據(jù)被寫入緩存的第N個(gè)存儲(chǔ)空間，而此時(shí)緩存中還有N-1個(gè)空間中的數(shù)據(jù)還未被讀出，至少在讀時(shí)鐘域看來是這樣的，那么當(dāng)前被寫入的數(shù)據(jù)需要至少N-1個(gè)讀時(shí)鐘周期的延時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，同時(shí)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(jì)方法如圖3所示。在寫時(shí)鐘的上升沿將數(shù)據(jù)寫入到基于寫時(shí)鐘上升沿的寫地址產(chǎn)生邏輯的輸出，即寫指針?biāo)赶虻膹椥跃彺婵臻g；在讀時(shí)鐘的上升沿將基于讀時(shí)鐘上升沿的讀地址產(chǎn)生邏輯的輸出，即讀指針?biāo)赶虻膹椥跃彺婵臻g的數(shù)據(jù)讀出。此外，還各設(shè)置了一個(gè)基于時(shí)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(shí)鐘上升沿的讀地址和經(jīng)過延時(shí)后的基于寫時(shí)鐘上升沿的寫地址，以及基于讀時(shí)鐘下降沿的讀地址和經(jīng)過延時(shí)后的基于寫時(shí)鐘下降沿的寫地址進(jìn)行異步比較。綜合兩個(gè)比較結(jié)果，判斷因同頻但不同源的讀寫時(shí)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(hào)通過一個(gè)同步邏輯被同步到讀時(shí)鐘域，控制基于讀時(shí)鐘上升沿的讀地址產(chǎn)生邏輯的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對彈性緩存中填充字的添加或刪除，達(dá)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(shí)現(xiàn)圖3所示電路的RTL描述，并對其用ModelSim進(jìn)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(shí)鐘和讀時(shí)鐘。

圖4中，CLK_rcv的時(shí)鐘頻率略低于CLK_local的時(shí)鐘頻率，彈性緩存有被讀空的可能。當(dāng)CLK_local比CLK_rcv多出半個(gè)時(shí)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(jìn)行添加操作。

圖5中，CLK_rcv的時(shí)鐘頻率略高于CLK_local的時(shí)鐘頻率，彈性緩存有被寫滿的可能。當(dāng)CLK_local比CLK_rcv少了半個(gè)時(shí)鐘周期左右后就發(fā)出較低級(jí)別的刪除填充字的請求，以在最近的間隙進(jìn)行刪除操作。若低級(jí)別的刪除操作未被及時(shí)執(zhí)行，致使緩存空間占用率進(jìn)一步提高，則請求較高級(jí)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(dāng)前時(shí)鐘周期不讀緩存空間的數(shù)據(jù)，而是發(fā)送一個(gè)當(dāng)前填充字；刪除填充字，即在條件滿足的情況下跳過當(dāng)前讀地址空間，直接讀取下一個(gè)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(jì)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(shí)，有利于提高仲裁環(huán)網(wǎng)的整體性能。