FC-AL系统中FPGA的弹性缓存设计

　　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。