PCIe物理层弹性缓存机制（详细）解析-PCIe专题知识（四）

前言

本文主要介绍PCIe物理层弹性缓存机制用于同步时钟。

一、简介

PCIe物理层弹性缓存（Elastic Buffer，又称为CTC Buffer或者Synchronization Buffer）。其本质上是一种FIFO，主要用于解决跨时钟域问题。当然，PCIe的弹性缓存还用于补偿时钟误差（Compensate for the clock differences）。实际上，除了PCIe，弹性缓存还广泛应用于其它的高速串行接口——USB、InfiniBand、Fibre Channel、Gigabit Ethernet等基于SerDes的应用。

二、详细解析

由于PCIe采用的基于8b/10b的嵌入式源同步时钟，接收端存在两个时钟域：
1、是通过CDR(Clock Data Recovery)从数据流中解析出来的时钟，用该时钟对数据进行采样；
2、是本地时钟域，用于其他的逻辑的。借助弹性缓存（FIFO），可以实现数据在这两个时钟域的转换。

PCIe的时钟是嵌入到差分信号中的，PCIe总线在训练之初会完成一个bit lock，在这个过程中链路上会传输一段0和1间隔序列，即是连续的高低电平，就是用来给Receiver提取时钟的。Receiver提到到时钟后，才能够继续捕获一位一位的数据，也就是做bit的识别，再往后则是做多个bit的识别，即序列识别。
在PCIe Transmitter里会进行编码操作，这个编码即是让0和1的数量更加均衡，以防止总线时钟丢失。另外，总线处于空闲状态时，也会持续传输时钟对齐码流，以防止丢了时钟，突然有数据过来的时候找不着北。

2.1 实例解析

以PCIe Gen1为例，链路上的数据速率为2.5Gbps。但实际上，任何晶振（或者其他频率发生器）都是有误差的，PCIe Spec允许的误差范围为±300ppm（Parts Per Million）。即，链路上实际的频率范围为2.49925GHz~2.50075GHz。借助弹性缓存，通过删除或者插入SKP Ordered Set可以消除链路频率误差的影响。如下图所示：

需要注意的是PCIe Spec并没有规定弹性缓存的具体位置，设计者可以将弹性缓存放在8b/10b解码器之前，也可以把弹性缓存放在8b/10b解码器之后。不过，Mindshare的建议是将弹性缓存放置于8b/10b解码器之前的。

2.2 具体实现过程

1、插入SKP序列
当本地时钟域的时钟（Local Clock）的速度比数据流通过CDR解析出的时钟（Recovered Clock）的时钟要快时，且弹性缓存即将被读空之前，可以向SKP Ordered Set中插入1~2个SKP，填充buffer。如下图所示：

2、移除SKP序列
当本地时钟域的时钟（Local Clock）的速度比数据流通过CDR解析出的时钟（Recovered Clock）的时钟要慢时，且弹性缓存即将溢出之前，SKP发挥作用的方式很简单，当数据进入的时钟频率（CDR解析出的时钟频率）大于数据出的时钟频率（本地时钟频率）时，数据进的比走的快，会导致进入buffer的数据累积越来越多，甚至可能溢出丢失，在这种情况下，可以从SKP Ordered Set中移除1~2个SKP，将位置空出来，那么数据就不会溢出了。如下图所示：

需要特别注意的是，Intel提出的PIPE规范（并非PCI-SIG强制的规范，具体参考前面关于PIPE的文章）中，只允许每次从一个SKP Ordered Set中插入或者移除一个SKP。如果需要插入或者移除两个SKP，则需要对两个SKP Ordered Set进行操作。如下图所示：

三、总结

通过抽走和插入SKP序列的方式，可以解决两边时钟频率差异的问题。弹性缓冲自身有状态检测功能，能够不断监测buffer内的数据量，从而做出响应，具体操作的SKP数量，根据不同厂家的controller设计而不同。

四、其他相关链接

1、PCI总线及发展历程总结

2、PCIe物理层总结-PCIE专题知识（一）

3、PCIe数据链路层图文总结-PCIe专题知识（二）

4、PCIe物理层链路训练和初始化总结-PCIe专题知识（三）

5、8b/10b编码方式详细总结