FC-AL系统中FPGA的弹性缓存设计

文章摘要：引 言一个简化的异步数据通信系统如图1所示。接收机端从接收到的来自串行链路的比特流中提取时钟信号Clk1，作为其工作时钟源；而发送机端采用本地晶振和锁相环产生的时钟Clk2，作为其工作时钟源。接收机在时钟Clk1的上升沿把数据写入弹性缓存，发送机在时钟Clk2的上升沿从弹性缓存中读出数据，从而实现数据的同步。虽然光纤通道仲裁环中的所有通信设备必须工作在同一频率，但图1中两个不同源的时钟信号Clk1和Clk2除了在相位上可能存在差异外，由于制造工艺的因素，晶振产生时钟时其频率也是被允许有一定误差存在的。这个误差范围为±100×10-6，即在每一百万个理想时钟周期的时间内容许±100个时钟周期的

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　　引  言

　　一个简化的异步数据通信系统如图1所示。接收机端从接收到的来自串行链路的比特流中提取时钟信号Clk1，作为其工作时钟源；而发送机端采用本地晶振和锁相环产生的时钟Clk2，作为其工作时钟源。接收机在时钟Clk1的上升沿把数据写入弹性缓存，发送机在时钟Clk2的上升沿从弹性缓存中读出数据，从而实现数据的同步。

　　虽然光纤通道仲裁环中的所有通信设备必须工作在同一频率，但图1中两个不同源的时钟信号Clk1和Clk2除了在相位上可能存在差异外，由于制造工艺的因素，晶振产生时钟时其频率也是被允许有一定误差存在的。这个误差范围为±100×10-6，即在每一百万个理想时钟周期的时间内容许±100个时钟周期的偏差。两个不同的晶振产生同一频率的时钟时，它们之间可能存在的误差最大为200×10-6。所以，对于由不同晶振产生的同一频率的2个时钟，除了相位上的不同外，在最坏情况下，经过106／200=5 000个周期后，它们之间将出现一个时钟周期的偏移。对于连续的数据流，由于用于时钟同步的弹性缓存的大小有限，如果不能正确处理这个时钟周期的偏移，将会导致缓存溢出，损坏有效数据，严重影响系统的性能。

　　1  FC-AL弹性缓存管理的基本原理

　　FC-AL通信系统中，也采用弹性缓存来解决数据在不同时钟域的同步问题，并通过对弹性缓存的管理适时地向缓存中添加或删除填充字，以控制缓存中有效传输字的数量(本设计中弹性缓存的存储单位为字)，从而达到对时钟倾斜的补偿。填充字是FC-AL协议中定义的一类特殊的传输字，它们在帧与帧的间隙，且在帧界定符之外被传输。所以，弹性缓存的管理对这些特殊传输字进行的适当的添加或删除操作，不会损坏数据帧或影响环网的正常运作。何时对弹性缓存添加或删除填充字，是由缓存的占用率来决定的。弹性缓存空间的使用状态分为4个等级：添加填充字等待、保持状态、低级别的删除填充字等待以及高级别的删除填充字等待。当弹性缓存的写时钟慢于读时钟时(如图1中Clk1的频率略低于Clk2的频率)，缓存可能被读空而出现误读，此时需要添加填充字，相当于增加缓存中可读的数据量，防止缓存出现下溢；当弹性缓存的写时钟快于读时钟时(如图1中Clk1的频率略高Clk2的频率)，缓存可能出现被写满导致错误的数据覆盖，此时需要删除填充字，以增加缓存中的可用空间防止缓存出现上溢。

　　弹性缓存管理的基本原理如图2所示。假设弹性缓存的深度为4，图中被标识为0或1的每一个小格代表弹性缓存的一个存储空间。置1，表示相应的存储空间已被写入有效数据，且未被读出；置0，表示相应的存储空间未被写入，或写入的数据已被读出。

　　由于对于缓存的读操作必须是在有数据已写入缓存后才能开始，假设当缓存中有2个空间被写入时才开始读操作。所以，对于随后的弹性缓存管理，当缓存中刚好有2个空间被占用时，其处于保持状态，执行正常的读写操作；当缓存中超过2个的空间被占用时，其处于删除填充字等待的状态，说明写时钟的频率高于读时钟的频率，需要进行删除填充字的操作；当缓存中少于2个空间被占用，其处于添加填充字等待状态，说明写时钟的频率低于读时钟的频率，需要进行添加填充字的操作。

　　2硬件电路设计

　　用异步FIFO实现弹性缓存的关键是监测缓存空间的占用率，以此来判断读写时钟可能存在的微小差异，预见弹性缓存可能出现读空还是写满，并决定在何时进行填充字的添加或删除操作，以及何种等级的删除操作，并保证在添加或删除操作之后不对其后的数据读写产生任何影响。需要注意的是，这里的添加或删除填充字的操作都必须在读时钟域进行。

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