详解GearBox设计原理-gearbox 游戏

在8B/10B、64B/66B编解码(二)一文中，提到了GearBox的运用，本文聊聊GearBox的设计原理。譬如10GBase-R协议中规定64bit数据经过66B编码、扰码后的数据变成64bit的有效数据、2bit的同步头，而Serdes的并行端数据输入的位宽数可能是8bit、10bit、16bit、32bit等等小于66bit的位宽，因此芯片发送数据到Serdes模块时需要进行位宽大到小的转换。同样，芯片从Serdes模块接收数据时，也需要完成数据位宽由小到大的转变。GearBox就是实现任意数据位宽之间转换的变速箱。关于编码过程，参考如下例子：

若从物理编码子层XGMII传来两个32bit，加在一起64bit，经过encoder进行编码，得到编码后的数据D0-D7，生成同步头01。

然后，不含同步头的D0-D7，经过扰码器，得到表达式X58+X39+1扰码后的数据S0-S7。之后，将同步头和扰码后的数据S0-S7合并，生成一个传输块，将这个传输块经过GearBox处理后，完成编码。接下来具体说明变速箱GearBox的实现过程，以10GBase-R的物理层为例，若Serdes的位宽要求为32bit，PCS层采用64B/66B的编解码方式，在与Serdes进行数据传输过程中，需要GearBox实现66bit到32bit的转换、32bit到66bit的转换。继续以上图为例子，XGMII层每拍输出32bit数据，每2拍组合成64bit报文，并且需要编码出2bit的同步头，为了简单化，假设待匹配的Serdes只有1个lane，且位宽为32bit，即GearBox输出是每拍32bit。显然，输入带宽是大于输出带宽，属于带宽膨胀，因此输入必须暂停，什么时候停呢，见下图波形所示，每32拍停一拍，即待发送的buffer数据积攒够了32bit，此时，产生暂停输入标志位，也就是“反压”住输入信号，让GearBox可以完成数据完整输出。PS：下图计数器计到31即可。为了说明GearBox原理，上述例子给的很简单，而实际是非常复杂的，比如下面例子：在IEEE802.3协议中，规定了MAC层、PCS层的结构，说明了MII接口的位宽和时钟频率，但是实际verilog实现中，MAC/PCS的时钟常常与协议不一致。如下图所示，以发送方向为例，数据经过MAC_TX、PCS_TX、通过serdes传输到对端。常见速率设计方法是：mac tx的极限速率>=pcs tx的极限速率>serdes的速率。此结构为漏斗型，数据上游的带宽大，数据下游的带宽小，采用ram和afifo实现数据的转换，逐级反压流控，由下游带宽决定实际速率。

如图所示，图中以4 lane serdes实现公共200G速率，每lane serdes在528FEC/NOFEC模式下的极限速率是51.5625G，serdes数据位宽为80bit，serdes恢复时钟serdes_twclk为644.53125MHz。Mac tx模块生成4路MII接口，pcs_tx模块包含pcs层和fec的处理，输出80bit的并行数据送到serdes。

Serdes的速率控制实在gearbox模块实现的，gearbox模块主体存储结构是位宽为80的afifo，读侧采用serdes恢复时钟serdes_twclk，每个时钟周期读取一个数据，实际速率为80bit*644.53125MHz=51.5625Gbps，由于pcs tx的极限速率大于51.5625，所以gearbox模块的内部afifo一直不会空，当afifo内部数据超过阈值时会向上游起反压流控，暂停数据下发，防止afifo溢出，阈值设置要合理，要防止下游断流。Gearbox模块写侧时钟为pcs_clk，pcs_clk需要大于serdes_twclk才能保证afifo一直有数据。Mac_tx模块的极限带宽计算为4*64*mac_clk，要大于200G，因此mac_clk不能低于781.25Mhz，保证mac tx的极限速率>=pcs tx的极限速率>serdes的速率，因此mac_clk可以选择在800MHz~900Mhz，pcs_clk可以选择在mac_clk~700Mhz之间，pcs_clk也可以选择与mac_clk同一个时钟，这样可以减少跨时钟设计。可以看到，在很简单的情况下，GearBox仅需完成诸如66bit<->32bit的位宽转换，甚至不涉及跨时钟设计。而在复杂系统下，GearBox需要有位宽转换、async_fifo数据缓存，涉及到了afifo水线设置、反压、输入输出带宽匹配、fifo深度等等问题。

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