FPGA基础：8b/10b编码原理详解

8b10b编码作为数字通信领域中的一项重要线路编码方案，其核心理念在于将每8位数据映射到10位编码中。这个映射过程严格按照特定规则进行，旨在保证编码中的电平转换足够，以维持信号的直流平衡，并提供足够的时钟信息，使接收端能够准确无误地解码数据。这种编码技术在多个通信系统中发挥着关键作用，其中包括但不限于Aurora、PCIe、USB、光纤通信、SATA和HDMI等。在这些应用场景中，8b10b编码通过其独特的特性，如电平平衡、时钟恢复和错误检测，确保了高速数字数据的可靠传输。在今天的通信标准中，8b10b编码已经成为确保数据完整性和可靠性的不可或缺的一环。

1为什么要使用8b10b编码

由于串行链路中存在交流耦合电容，理想电容的阻抗公式为Zc=1/2πf*C。因此，随着信号频率的增加，阻抗逐渐降低;反之，频率降低时阻抗增加。在这种情况下，当信号频率较高时，传输基本上可以实现零损耗。然而，当码型为连续“0”或“1”时，电容的损耗显著增加，导致信号幅度不断下降。这带来的严重后果是无法准确识别是“1”还是“0”。因此，为了尽量减小低频码型的损耗，8b10b编码技术应运而生。8b10b编码的主要目标是优化低频码型，将其转换为较高频的码型，以确保在传输过程中降低损耗，这就是直流平衡。通过这种方式，我们能够在高频率条件下更可靠地传输数据，提高串行链路的性能和稳定性。8b/10b编码的提出最早应用在光纤的传输技术，8b/10b技术是将8个比特经过某种映射的机制转化为10个比特的字码，分两组分别进行映射的处理，分别是 5B/6B 与 3B/4B 的处理。

2不均等性——Disparity

8b10b编码产生的输出为10位，经过8b10b编码后只存在三种情况，分别是"+2" "0" "-2"，它们代表了三种不均等性(Disparity)。在这里，不均等性通过计算 "1" 的数量减去 "0" 的数量得到，即 Disparity = "1"的数量 - "0"的数量。通过利用这种不均等性与 Disparity 的关系，可以确保发送的 "0" 和 "1" 的数量保持一致，从而有效地限制了连续的 "1" 或 "0" 不超过5位。这种机制有助于维持编码的直流平衡，保障了数据的可靠传输。

· "+2"表示10b内有4b的"0"，6b的"1"。

· " 0"表示10b内有5b的"0"，5b的"1"。

· "-2"表示10b内有6b的"0"，4b的"1"。

3编码原理

8b10b编码会将8b数据分成两组，一组3b(HGF)，一组5b(EDCBA)，经过8b10b编码后，3b(HGF)经过3b4b编码变成4b(fghj)，5b(EDCBA)经过5b6b编码变成6b(abcdefgi)，合起来就是10b(abcdefgifghj)。此外，“D.x.y”是数据码(D即是Data)，“K.x.y”指控制码(K即是Key)，x与y表示输入的原始数据。

不均等性执行规则

8b/10b编码是DC-free(直流平衡)的，意味着长时间的传输比特数的1和0的比例恰好为50%。为了实现这一点，传输的1的数量和0的数量之间的差异始终被限制在±2之间，并且在每个符号的末尾，它要么是+1要么是−1。这个差异被称为运行差异(RD,running disparity)

· 当RD = -1时，表示编码后"1"的个数比"0"的个数多2个，表示"1"多;

· 当RD = +1时，表示编码后"0"的个数比"1"的个数多2个，表示"0"多;

这里为什么是2呢，这是由于4 bit和6bit的两个子分组都是偶数个位数，所以不平衡度不可能是“+1” 或“-1”，因此，在8B/10B编码方案中会使用不平衡度为“+2” 和“-2” 的值。

编码的过程就是使得"0"和"1"的数量均衡，防止"0"或"1"过长的现象，因此在"1"多的时候会翻转RD-变为RD+，在"0"多的时候会翻转RD+变为RD-，在编码过程中，RD的初值为-1，当编码为完美平衡编码时，如上表所示不均等性(Disparity of 6 or 4 bit Code)为0，RD的极性(Next RD)不反转;当编码“1”和“0”的数量不等时，如上表所示不均等性为±2，则RD的极性(Next RD)反转。

上表有四种情况，Next RD值依赖于Current RD以及当前6B码或者4B码的Disparity。根据Current RD的值，决定5B/4B和 3B/4B编码映射方式：

· 当前RD为-1，编码"0"和"1"数量相等即不均等性为0，则选择Disparity为0的编码，下次RD的极性不变为-1。

· 当前RD为-1，编码"0"和"1"数量不等即不均等性为±2，根据RD = -1选择Disparity为+2的编码，下次RD的极性翻转为+1。

· 当前RD为+1，编码"0"和"1"数量相等即不均等性为0，则选择Disparity为0的编码，下次RD的极性不变为+1。

· 当前RD为+1，编码"0"和"1"数量不等即不均等性为±2，根据RD = +1选择Disparity为-2的编码，下次RD的极性翻转为+1。

下表分别为5b6b和3b4b的映射码表，对于每个具有不同数量的1和0的5b/6b和3b/4b编码，都有两种可以用于传输的比特模式：一种是含有两个更多“1”比特，另一种是所有比特取反从而含有两个更多“0”。根据信号的当前的RD，编码引擎会选择对给定数据发送哪两种可能的六位或四位序列之一。

下面是一个例子：

o 原数据为D.01.3即8b'011_00001

o 当前5b6b编码RD = -1，可以看到EDCBA为D.01，5b6b编码后为5b'011101

o 当前3b4b编码RD = -1，可以看到HGF为D.x.3，3b4b编码后为3'b0011

o 综合起来8b'01100001经过8b10b编码后变成10'b0111010011

o 编码后Disparity = -2，则最终的RD需要由RD-1翻转为RD+1

D.x.7主要编码和备用编码

从上图可以看到，D.x.7有两套编码，分别是D.x.P7(主要,Primary)和D.x.A7(备用,Alternate)，这是为了避免与前面的5b/6b代码组合时出现5个连续的0或1.

· 当 RD = -1，5b/6b编码 x = 17,18或20时，如果选择D.x.P7则会出现5个连续的1，所以需要选择备用编码D.x.A7

· 当 RD = -1，5b/6b编码 x = 11,13或24时，如果选择D.x.P7则会出现5个连续的0，使用需要选择备用编码D.x.A7

控制符号(Control Symbols)

在8b/10b编码中，控制符号是10位符号，它们是有效的位序列(包含不超过六个1或0)，但没有对应的8位数据字节。这些控制符号主要用于执行低级别的控制功能。例如，在光纤通信中，K28.5 用于执行循环仲裁、填充字、链路重置等功能的四字节序列(称为“有序集”)的开头。

通过引入K.28或备用的D.x.A7输出，可以创建用于控制的12个特殊符号。这些符号不携带实际的数据，而是用于在数据流中标识和控制特定的状态或操作。其中有一些逗号序列，这是一个在数据流中独特且不会与实际数据混淆的位模式。通过检测逗号序列，接收方可以确定字节边界，帮助正确解释和处理数据流中的字节。

只有K.28.1、K.28.5和K.28.7生成包含五个0或1位序列的逗号序列。这些逗号序列的格式是11000001xx或00111110xx，其中xx表示任意两位。

逗号序列中有两个相同的前导位("00","11")，是为了应对当逗号序列跨越两个符号时，可能出现连续五个相同的位。这种设计确保了逗号序列的唯一性，从而在解析数据流时，可以准确识别并用于确定字节边界。例如，D.x.A7(0111)后面可能跟着一个以两个相同位开始的符号，比如D.03(110001)、D.11、D.12、D.19、D.20、D.28或K.28，但是，D.x.A7始终以一个非相同的位作为前导位，因此形成的模式是ifghj_abc = 10111_110或01000_001，如果前导位为非相同位("10","01")则不认为他是逗号序列。

在控制符号中，只有在x等于23、27、29、30时，K.x才能与A7组合使用。对于其他D.x.A7编码，不应该使用，因为这可能导致逗号序列的对齐错误。

4带宽利用率

在8b/10b编码中，每8位数据被编码成10位，其中2位用于控制目的。考虑到每8位数据编码成10位，带宽利用率可以计算为8/10 = 80%。这表示在8b/10b编码中，80%的比特用于传输实际的数据，而其余的20%用于控制和维护直流平衡。

5总结

本文主要介绍了8b10b的编码原理，8b/10b编码是一种用于高速数据通信的编码方案，其设计目的是保持直流平衡，并通过控制符号实现一些控制功能。在后续，我们将深入探讨如何在FPGA中实现和优化8b/10b编码，以满足不同应用场景的性能和可靠性需求。