剖析8B/10B的实现机制

第一章内容梗概.

第二章 8B/10B编码是什么

第三章 8B/10B编码的作用

第四章 8B/10B编码的实现机制.

第五章总结

第一章内容梗概

随着高速串行通讯的应用愈发广泛，作为高速串行通讯重要内容的8B/10B编码也成了我们需要了解学习的内容，因为只有熟悉了8B/10B编码才能正确的理一些解高速串行传输机制，要不然会有好多问号徘徊在脑袋里，对此我深有感触。

要想真正理解8B/10B编码，就要知其所以然，这样是亘古不变的道理，为此我做了如下的内容安排：

第二章：8B/10B编码是什么？知道它是谁家的孩子，也就大体知道它是干什么的了

第三章：了解 8B/10B编码的作用，这也是它诞生的初衷，存在的意义。了解其作用，不仅是了解其作用，当我们紧抓其目的，也就能对其实现方式有了生层次的理解。

第四章：了解8B/10B编码是如何实现的以及背后的考量。

第二章 8B/10B编码是什么

何为编码，编码就是信息从一种形式或格式转换为另一种形式的过程，例如用1表示3.3V，再例如我们熟知的ASCII码都是编码。8B/10B编码也是一种编码，我们可以简单的理解为用一个位宽10bit的数据来表示一个位宽为8bit数据的编码方式，但这种理解是直观的感受，更是粗浅的解释。

8B/10B编码其实不仅提供给我们将8bit数据用10bit表示这样一种编码方式，更重要的是为我们高速串行传输提供了一种链路控制方式，因为它是一种信道编码技术。

这里又涉及到一共新的名词，信道编码。信道编码是一门学科，代表人物有香农前辈、汉明码的发明人Hamming等，编码技术也是不胜枚举，曼切斯特编码、卷积码以及我们要说的8B/10B编码等等。信道编码又称之为线路编码，还可以称之为差错控制编码，其目的就是消除信号在传输过程中的干扰，让信号更干净，接收端能够准确的解析出来。所以8B/10B编码就是为实现上述目的所提供的一种编码方式。

第三章 8B/10B编码的作用

高速串行通讯的实现有这样两个难点，一是如何保证数据在传输中的质量，二是接收端如何从01中将数据恢复出来。当然，完成这项任务不是8B/10B编码一人就可以解决的，需要群策群力。

8B/10B编码的主要贡献有两个方面，一是尽可能的保证串行数据流中的0和1平衡，二是提供控制字符。下面我们就从这两个方面来展开阐述。

保证0、1平衡，也就是0和1的个数差不多，再换句话说就是高电平和低电平的持续时间差不多。这是种说法很不专业哈，专用的说法叫直流平衡或者说DC平衡。为什么需要DC平衡呢，这和高速串行通讯物理实现方式有关。

对于高速信号的处理，可以使用直流耦合和交流耦合，对于高速串行通讯，若要实现远距离通讯或者光通讯，则只能使用交流耦合的方式。例如Xilinx的高速串行通讯模块GTP、GTX等，都有模拟前端AFE，就是电流模式高速输入差分缓冲器，如下图所示。

我们晓得电容特性是“隔直通交”，如果数据流中长时间没有电平翻转，那么必然会将其视为直流被阻断造成极性偏差，也就是电势差不满足高低电平的判断阈值，进而造成对接收电平信号的误判，进而导致接收数据出错，如下图所示。

看到这里有没有意识到8B/10B编码的目的了？

如果是8Bit数据，必然会出现全是0全是1的情况，而如果出现连续5个“1”或5个“0”，则会导致DC不平衡。所以我们要对这8Bit数据进行编码，换一种方式，这种方式既能表示出8bit数所表示的数值，又能保证0和1不会长时间没有翻转，所以8B/10B编码应运而生。我们从10bit中挑出一些0和1差不多的来表示这256个数据，自然就能保证直流平衡。

这里，可能有个疑问，为什么要用10bit，而不是9bit或是11bit，因为这时在提高传输效率和保证传输质量间的最优解，可以体会下~

但凡接触串行通讯的朋友，相比都知道K码，用来实现据对齐到字节/字、通道绑定等功能。记得在学习初期，看到用户接口会在空闲时候发“BC”，当时我想破脑袋也没想明白一件事，接收端是如何区分K码和数据的。因为数据包里也有BC这个值呀？之所以产生这样的疑惑，是因为我简单的把8B/10B编码理解成给8bit数据填上2bit组成10bit数了。而实际不是填上，是从10bit这样1024个数里面挑出256个表示8bit数据，又从这1024个挑出12个来表示K码。所以8B/10B编码分为数据字符和控制字符两类，通过这两种类型数据的组合，我们就能从串行数据中将数据恢复出来。

另外，8B/10B编码还有很多好处，例如有助于时钟恢复，接收端需要根据我们发送的数据通过CDR把时钟恢复出来，只有提供足够的电平翻转，也能恢复出来也不至于PLL失锁。还能具有简单的纠错功能，如果检出10bit数不少标志规定编码，则表示边界未对其或数据存在问题。

第三章 8B/10B编码的实现机制

本章来阐述下将8bit转换为10bit编码是如何实现的，转换的目的是保证DC平衡，所有用10bit表示8bit的原则也是尽可能的从1024个里面挑选出0和1差不多的，而且是01交替差不多的。但即便是1024个数据，0和1差不多且分布均匀的，也是少之又少，那我们怎么实现呢？

IBM公司的Al Widmer和PeterFranaszek为我们指定了编码准则，首先将8bit原始数据差分两个部分，低5bit是一组，可设为EDCBA，其值用X表示，X是十进制数，高3bit作为一组，可设为HGF，其值用Y表示，Y也是十进制数。我们如果表示的是数据，则用“D”表示，所以数据字符就可以表示为DX.Y，例如十进制40，则表示D2.8。控制字符是用K表示，我们称之为K码，或叫“comma”，其表示方法和数据字符方法一样，即KX.Y，例如我们比较常见的K28.5、K28.7。

可能有人问，为什么要拆分5bit和3bit表示呢？因为1024个数还是太少，不拆分无法提供如此多的满足条件的数，但要在保证DC平衡的前提下尽可能的提高传输速率，所以就得在设计上多花些心思了。

可能又有人会问，为什么要拆分5bit和3bit就能保证DC平衡呢？上文我们提到，如果出现连续5个1或0就会造成极性偏差，而串行数据只有0和1。所以我们不仅要保证本组编码后的10bit数没有连续这么多0或1，也要保住和上一组连在一起没有这么多0或1。采用这样“小数据段”的编码方式对硬件来讲更好实现，我们从6bit挑出不超过5个连续0和1的，从4bit数据挑出不超过3个连续0和1的，让它组合起来更有利于我们实现上述目的。那么，它们是怎么组合呢？保证组合起来没有超过连续个0或1，我们先看下图，这是3B/4B和5B/6B的编码表

我们可以看到有些数不止有一种编码方式，而且还有“RD=-1”和“RD=+1”这的标识，这是什么意思呢？

这又引入了一个新的名词，叫做“RD”，全称running disparity，叫做运行不一致性，也就是我们上文提到的极性偏差。这个用来衡量编码数据的不平衡度，所谓的不平衡度就是编码数据中“1”的个数减去“0”的个数后的差值，如果是整数，成为极性为正的编码数据，也就是“RD=+1”，反之“RD=-1”。如果0和1一样多，则分三种情况，例如“111000”、“1100”为正极性，“000111”“0011”为负极性，其他情况为中性。

这里有朋友可能疑惑，是不是说反了，上表中“RD=-1”的明明是1比0多呀？！没有说反，我们看RD这一栏的左边对应的是“input”，也就是说输入如果是“RD=+1”，那么就要选择0比1多的，这就揭示了为什么要分正、负、中极性、3B/4B和5B/6B的组合方式以及上组编码与下组编码的规律。

举例来说，例如8B的“0”，如果6B编码0是“100111”那么4B编码选什么呢？当然是“0100”更好了，虽说选哪个都没有连续5个0和1，但明显“0100”更均衡，例如D7.4，如果选错就造成了5个0了。所以虽说对0的编码有4种组合，实际上只有两组可用的，而这就是极性平衡的要求。如下图就是部分编码组合出来的结果

这里有区分了两组情况，“RD-”和“RD+”，这和6B、4B组合一样，如果本组是RD-，那么下组选择RD+，当然也有种情况，就是6B和4B编码中0和1的个数一样多，如下图，那么选那组就无所谓了。

现在有没有感觉出这个“RD”的作用，就是方便我们进行数据流极性的控制，6B是R-，那么4B就选R+，上组是R-，那么下组就选R+。这里有一点还需要注意，上表中的“-1”不是0比1多1个，而是表示一种状态，无论是6B、4B还是10B，都不可能出现0和1之间差一个，只会出现多两个、少两个和一样多。如果出现其他情况，则说明是有问题的。

接下来我们简单说下K码，也就是控制码，有的地方称之为“逗号”或者“comma”。如下图所示12个K码，我们可以用它表示不同的状态

如下图所示，在数据流中不同的K码充当不同的角色，在数据恢复时，我们可以通过寻找K28.7来实现字节对齐，识别到K28.1准备接收数据，并在这不同阶段可以产生不同的状态信号。

总结

8B/10B编码的机制介绍完了，如何进行程序设计就不赘述了，而且现在很多硬核都实现了该功能，无需我们去敲代码。

当我学习完8B/10B编码后，不得不佩服前辈大牛们的智慧，通过如此巧妙的方式就解决了高速串行通讯中的诸多问题。

其实在我工作中，8B/10B编码用的不是很多，但依旧可以从中学到很多。

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