8bit/10bit线路编码简介

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8bit/10bit线路编码简介

线路编码：

       线路/信道：

特指在数据（信息）传输中，信号传输的物理通道。本质上信道不局限于有线/无线，也不局限于具体的载体材质，可以是铜线、光信号、甚至是无介质空间中的电磁场。在本文中，主要针对有线通讯和光通讯应用的场景来具体讨论和展开。

1. 信号交叠

每一种信道都有自己的特性，这些特性限制了最高的传输频率，更高频率的传输，会导致前后两个信息之间难以分辨，产生信号的交叠。

1. 时钟信息

在数字电路系统中，需要传输的最高频率的信息就时钟信息。时钟频率要低于信道允许传输的最高频率。

1. 信道干扰

任何信道都会受到所处环境的干扰。持续存在的干扰可以等同于基底噪声。突发的干扰则会引起信道的短暂不可靠，甚至造成传输错误。

              总体来说，就是信道要保证传输的数据易于被接收端接收（采样）、分辨、恢复。

线路/信道编码：

       线路/信道编码就是将原始需要传输的信息，经过一定的变换，使其更适合其所要使用的传输信道。通常要考虑如下因素：

1. 带宽利用率要高

没有哪种信道编码可以100%利用信道的传输资源，但是要尽量减少信道编码的开销。

1. 时钟信息传输要可靠

为了便于接收端的时钟恢复电路，必须充分传递时钟信息（控制连续的0和连续的1的个数）。

1. 数据分割和对齐的方法

字节的划分、信道间的数据对齐等

1. 具有一定的抗干扰能力

误码检测、误码纠错等

1. 适应远距离传输

直流平衡等

8b-10b编码简介：

8b/10bB编码是1983年由IBM公司的Al Widmer和PeterFranaszek所提出的数据传输编码标准，目前已经被广泛应用到高速串行总线，如IEEE1394b、SATA、PCI-Express、Infini-band、FiberChannel、XAUI、RapidIO、USB 3.0等。

• 8b/10b编码，实际上是3b/4b 和 5b/6b两个编码的组合。
• 输入的8bit原始数据，被拆分成高3bit（记作y），和低5bit（记作x）两部分
• 拆分后的两部分，分别做3b/4b 和 5b/6b编码。生成10bit数据（4bit + 6bit）
• 最后生成的10bit数，按照LSB的顺序，从最低位逐bit发送。

3b/4b 和 5b/6b编码表

1. 5b/6b code

   理论上分析：

• 5bit码共有32个码字，6bit码共有64个码字。因此5b/6b编码中，6bit码字只需要用一半。
• 为了去除连0和连1，自然会想到用64个码字中0/1比较平衡的码字。
• 6bit码字中，0和1个数相等（3个0和3个1）的码字共有C63=20个

0和1的个数相差2的有：2*C62=30个

0和1的个数相差4的有：2*C61=12个

0和1的个数相差6（全0或全1）的有：2*C60=2个

• 理论上，我们选择上述的前两种（0和1个数差小于等于2）码字就够了。

编码方式：

• 5bit码字中0和1的个数相差为1、3、5（0和1的个数不可能相等）
• 0比1多一个的码字有10个：

D.03（00011）        RD-/+ （）

D.05（00101）            RD-/+ （）

D.06（00110）             RD-/+ （）

D.09（01001）            RD-/+ （）

D.10（01010）            RD-/+ （）

D.12（01100）             RD-/+ （）

D.17（10001）            RD-/+ （）

D.18（10010）            RD-/+ （）

D.20（10100）            RD-/+ （）

D.24（11000）             RD-    （）   RD+ （001100）

从上面可以看到，5bit码字中当0比1多一个时，直接在前面添加1，编程6bit码字。这时的6bit码字0和1个数相等。

但是D.24比较特殊，按照上述规则，D.24编码后应该是，但是由于D.07，占用了相应的码字，因此D.24采用了其特殊的映射编码方式。

• 1比0多一个的码字也有10个（其实就是0/1翻转一下，码字翻转也等同于用31去减一下）：

D.28（11100）        RD-/+ （011100）

D.26（11010）             RD-/+ （011010）

D.25（11001）             RD-/+ （011001）

D.22（10110）             RD-/+ （010110）

D.21（10101）            RD-/+ （010101）

D.19（10011）             RD-/+ （010011）

D.14（01110）             RD-/+ （001110）

D.13（01101）             RD-/+ （001101）

D.11（01011）             RD-/+ （001011）

D.07（00111）             RD-    （000111）   RD+ （）

从上面可以看到，5bit码字中当0比1多一个时，直接在前面添加1，编程6bit码字。这是的6bit码字0和1个数相等。

由于D.07占用了2个1/0个数相等的6bit码字，因此D.24使用了其他的码字。到此，20个0/1平衡的6bit码字全部用完了。

但是D.07比较特殊，在5’b00111前加一个0编程6’b000111后，此码字仅作为RD-，同时还编码了RD+ 6’b，这个码字刚好占用了D.24对应的码字，因此才导致了D.24使用了两个1/0差为2的码字。 这样做，主要是因为码字000111和的前后边界都是3连0/1，这很容易和前后的其他码字形成多个连续的0/1，因此编码时就必须考虑其他码字情况来做适当的选择，以避免过多的连0/1。

• 1和0个数相差3的码表

       D.23、D.27、D.29、D.30对应的5bit码字中1的个数比0多，因此其RD-编码即为在其前面加1bit0。而RD+则是RD-按bit取反。

       D.01、D.02、D.04、D.08对应的5bit码字中0的个数比1多，因此其RD+是在第二bit处插入1bit1（最前面加1bit1对应的码字被D.23、D.27、D.29、D.30的RD-占用了）

       D.16和D.15，比较特殊，为了减少连续的0/1，采用了特殊的编码方法。

       但是D.30的中间存在4个连续的0/1：6’b011110和6’b。

• 特殊编码：

       编码的2个基本原则：

1. RD为“-”时，表示前面的码流中0比较多，因此RD-的码字中，1要比0多。同理，当RD为“+”时，码字中的0要比1多。
2. 使用的码字中，尽量避免的连续的0或1的编码，尤其在码字的边界处。

       K.28 作为控制码，其边界有连续的0和1，因此在和前后其他码字构成连续的码流时，需要考虑避免过长的连续0/1的情况。

       由此我们也考虑到D.07采用的编码，虽然0和1的个数是均等的，但是由于其连续的0和连续的1都在码字的边界，因此在构成连续的码流时也容易和前后的其他码字组成比较长的连0/1。

由此还剩下两个编码： 和001111。

3bit/4bit code

       3bit/4bit码表看起来比较直观：

• D.x.1、D.x.2、D.x.5、D.x.6都是简单地在最前面插入相应的1/0，凑成1和0平衡的4bit编码。
• D.x.3和5bit/6bit编码中的D.07类似，占用了两个平衡的码字，因此D.x.4和D.24类似，只能有非平衡的码字了。
• D.x.0采用了特殊的编码后，剩下四个连0/1的分给了D.x.7
• 为了防止码流中D.x.7和前后的码连接出太多的0/1，给D.x.7分配了2组码字，并且规定如下：

1）3bit/4bit码排在5bit/6bit码之后（D.x.y中的x表示5bit/6bit编码的结果）。在和5bit/6bit编码组合时，D.x.P7和D.x.A7必须选一个，但是要避免5个以上的连0或连1。

2）结合5bit/6bit编码，以下情况选择A7，其他情况全都使用P7：

当RD为“-”是，有3个码字选择A7，即：

D.17.A7、D.18.A7、D.20.A7

当RD为“+”是，有3个码字选择A7，即：

D.11.A7、D.13.A7、D.14.A7

         此处更能清晰的理解编码的思想，和RD的含义：在有RD+和RD-的编码中，利用不同RD采用不同的编码，都可以有效的避免过多的连续0/1情况。但是对于D.17、D.18、D.20、D.11、D.13、D.14这样的编码并没有区分RD+和RD-，这在和4bit/5bit编码时，就容易产生多个连续的0/1。尤其当比较平衡的码字都分配完后，K.x.7的编码方式就必须考虑这一点了。

• K码的码字共有16个（4bti所有码字也是16个），而为了避免出现某些连0/1的码字，在K码的16个码字中，是有重复码字的，因此在使用K码时，情况会比较复杂。

使用K码时，要避免和其他码字混淆，因此并不是所有的组合都会被使用到。

K code：

K码作为特殊的控制编码，专门用来表示数据以外的控制指令。可以根据需要镶嵌在数据码流中的任何位置

基于K码的应用和复杂性，在原始的8bit/10bit编码中，只定义了12个特殊的控制码。他们可以和其他码字一起组成各种“原语”。

注意这个码表的排列顺序。

• K28.1、K28.5、K28.7中出现了5个连续的0/1，这在8bit/10bit编码中是绝无仅有的。因此这连续出现的5个0/1，被定义为 逗号码（commas），或者逗号序列，通常用来做序列的bit校准。

8bit/10bit编码规则

RD（running disparity）：

RD用来表示0和1的相对多少。如果RD=（+1），表示之前的编码中1的个数比0多；如果RD=（-1），表示之前的编码中0的个数比1多。

• 每一个编码过程有2个输入，和两个输出：

输入：           要编的源码 码字

上一次编码后得出的RD值

输出：           编码后的码字

                     本次编码后的RD值

编码过程：

1. 初始RD=-1
2. 输入一个要编码的原始8bit码字，和一个控制码 z （z用来表示是D码码，还是K码）
3. 将码字拆分成高3bit（HGF） 和 低5bit（EDCBA）。
4. 依据控制z bit，决定使用D码表，还是K码表
5. 根据当前RD、和5bit码，编码（查表）得到6bit 码字（abcdei）。
6. 根据编码后码字（abcdei），计算当前的disparity值（-2/0/+2）。
7. 根据当前RD和disparity值，得出新的RD值。
8. 依据新的RD，和3bit（HGF），以及选择后的码表（D码或K码），编码（查表）得到4bit码字（fghj）
9. 根据编码后的码字（fghj），计算当前的disparity值（-2/0/+2）。
10. 根据当前RD和disparity值，得出本次编码的RD值。
11. 将编码后的jhgfiedcba，从最低bit逐bit发送，发送顺序：

a,b,c,d,e,I,f,g,h,j

1. RD= 上一次编码后的RD值，
2. 重复2）～12）步骤。

K码的应用：

在PCIE协议中，使用如下的K码：

从上表可以理解到：

1. 仅有K28.5中包含5个连续的0/1，因此用作comma（逗号码），作为串行序列的bit位检测标识，区分symbol。K28.5可以定期或者不定期地插入到码流中的任何部分，作用类似于帧同步信号，接收方收到后，需要从码流中将其去掉。
2. K28.0（skip）：在多个lane时，用以填充空闲的lane，以达到各个lane之间的字节对齐。