位填充導致USB數據傳輸紊亂的一種解決方案

摘要：通用串行總線(xiàn)(USB)數據傳輸中要對數據進(jìn)行非歸零翻轉(NRZI)編解碼、添加／去除位填充和串并／并串轉換。添加／去除位填充使每字節數據傳輸所需的時(shí)間發(fā)生變化，再加上收發(fā)器與協(xié)議層的時(shí)鐘頻率不同，從而可能導致數據紊亂。以USB 2．0設備控制器中的收發(fā)器為例，在收發(fā)器與協(xié)議層間添加異步先入先出存儲器(FIFO)作為緩存區可以解決這一問(wèn)題。EDA軟件仿真驗證了該方法的可行性。
關(guān)鍵詞：通用串行總線(xiàn)；數據傳輸；位填充；異步先入先出存儲器；數據紊亂

在USB數據傳輸中，為了保證數據的可靠性，需要對所傳輸的數據進(jìn)行NRZI編解碼、添加／去除位填充和串并／并串轉換。NRZI編碼可以保證有足夠的跳變沿在接收端進(jìn)行時(shí)鐘恢復；位填充是為了保證信號具有足夠的變化量；串并轉換可以降低后端數據處理模塊的工作頻率。
以USB 2．0設備控制器為例。在向主機發(fā)送數據時(shí)，其收發(fā)器模塊先要將協(xié)議層傳來(lái)的8位(或16位)并行數據轉換成串行數據，然后添加位填充(每6個(gè)連續的1后要加入一個(gè)0)，最后進(jìn)行NRZI編碼。反之，在接收主機發(fā)來(lái)的數據時(shí)，收發(fā)器模塊要先對數據進(jìn)行NRZI解碼，再去除位填充，最后轉換成8位(或16位)并行數據傳給協(xié)議層。
USB 2．0設備控制器的收發(fā)器和后端協(xié)議層的工作時(shí)鐘頻率不同。對于具有高速(480 Mb／s)和全速(12 Mb／s)兩種傳輸速度的USB 2．0設備控制器來(lái)說(shuō)，收發(fā)器在高速、全速模式下的工作時(shí)鐘頻率分別為480 MHz和12 MHz；而協(xié)議層在高速、全速模式下的工作時(shí)鐘頻率統一為60 MHz(8位并行數據時(shí)，對于16位并行數據為30 MHz)。
由于添加／去除位填充導致了每字節數據傳輸所需的時(shí)間的增加或減少，再加上收發(fā)器和協(xié)議層工作時(shí)鐘頻率的差別，可能會(huì )導致數據的紊亂。

1 數據紊亂的原因分析
假設USB 2．0設備控制器的收發(fā)器工作時(shí)鐘為clk，協(xié)議層使用8位并行數據，工作時(shí)鐘為60 MHz的phy_clk，分析數據紊亂產(chǎn)生的原因。
1．1 高速接收模式
USB2.0協(xié)議中定義了信號RxValid表示接收數據有效，在phy_clk上升沿，若RxValid=1，協(xié)議層可以從收發(fā)器提取8位并行數據使用。Rx Valid信號變化后至少需要保持1個(gè)phy_clk周期，才能保證其被協(xié)議層的phy_clk時(shí)鐘采樣。
圖1中Data_nrzi為已經(jīng)過(guò)NRZI解碼的串行輸入數據；drop_bit為去位填充提示，當drop_bit=1時(shí)說(shuō)明出現了連續6個(gè)數據1，其后的數據0為位填充位應該除去，不放入hold_reg中；Data_nrzi經(jīng)過(guò)去位填充后放入hold_reg中，hold_reg收集了8個(gè)Data_nrzi數據后，將這8個(gè)數據以并行數據DataIn的形式傳給協(xié)議層。

從圖1中可以看出，在處理第二組8位數據時(shí)，由于其中有一個(gè)位填充需要去除，故處理這組數據用了9個(gè)clk周期，導致第一組8位并行數據在DataIn中的持續時(shí)間為9個(gè)clk周期，比正常多了1個(gè)clk周期。這樣有兩個(gè)缺點(diǎn)：
1)1個(gè)phy_clk周期為8個(gè)cIk周期，第1組8位數據持續9個(gè)clk周期有可能會(huì )被協(xié)議層采樣兩次。如圖1中所示，第1組數跨越了兩個(gè)phy_clk的上升沿，被采樣兩次。雖然出現這種情況的概率較小，但并不是不存在，且隨著(zhù)位填充數最的增多，這種多次采樣的可能性會(huì )增大。
2)每當位填充的個(gè)數達到8個(gè)，輸出的DataIn被協(xié)議層采樣到的并行數據總量會(huì )比正確的情況多1個(gè)，從而導致數據接收錯誤。
為了避免上述錯誤，通常的做法是每當去除了8個(gè)位填充數據時(shí)，就令RxValid=0并持續1個(gè)phy_clk周期，使協(xié)議層暫停采樣一次，從而避免第2)類(lèi)錯誤的發(fā)生。但這種做法不能完全避免第1)類(lèi)錯誤的發(fā)生。
1．2 高速發(fā)送模式
USB 2．0協(xié)議中同樣定義了信號TxReady表示收發(fā)器準備好發(fā)送數據，在phy_clk上升沿，若TxReady=1，協(xié)議層便傳輸過(guò)來(lái)1個(gè)8位并行數據讓收發(fā)器發(fā)送出去。同理TxReady信號變化后也至少要保持1個(gè)phy_clk周期。
圖2中，TxReady由0變?yōu)?代表收發(fā)器已將包的同步域發(fā)送完畢，開(kāi)始發(fā)送早已從協(xié)議層傳來(lái)的第1組8位并行數據：DataOut為協(xié)議層傳來(lái)的8位并行數據；在clk上升沿，將DataOut數據讀取到暫存器hold_reg中；sd_raw為并串轉換后的串行數據；stuff為添加位填充信號，當連續出現6個(gè)1時(shí)，stuff=1在串行數據中添加1位位填充數據0；sd_bs為添加位填充后的數據，對sd_bs進(jìn)行NRZI編碼后即可發(fā)送給主機。

從圖2中可以看出，高速發(fā)送模式出現了兩類(lèi)錯誤：
1)TxReady由0變?yōu)?后開(kāi)始發(fā)送第1組8位并行數據，而當phy_clk上升沿來(lái)臨后DataOut和hold_reg先后變?yōu)榱说?組8位并行數據，此時(shí)第1組數據并不一定恰好剛剛發(fā)完，于是會(huì )造成數據缺失或重復發(fā)送，同時(shí)使后面的數據發(fā)送混亂。圖2中Txready變?yōu)?后sd_raw發(fā)送的第1個(gè)數據1為同步域的最后一位，接著(zhù)發(fā)送的數據00為第1組數據中的2位，其余6位還未發(fā)送hold_reg中的數據已變成了第2組并行數據。