【电路笔记 通信】8B/10B编码 高速数据传输的串行数据编码技术 论文第三部分 The 8B/10B coding map

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• 图 1 展示了一个通信适配器接口，它由八条数据线 A、B、C、D、E、F、G、H（注意：使用大写字母表示）、一条控制线 K，以及一条以字节速率运行的时钟线 BYTECLK 组成。控制线 K 用于指示 A 到 H 这些线是表示数据信息还是控制信息。

• 为了编码目的，每个输入字节被划分为两个子块：

• • 五条二进制数据线 ABCDE 被编码成六条二进制数据线 abcdei（注意：使用小写字母表示），遵循 5B/6B 逻辑函数 和 失衡控制 的指示。
• • 同样，三个位 FGH 被编码成 fghj。
• • 注：数据块的失衡是指该块中 1 和 0 的数量之差；正失衡和 负失衡分别表示 1 和 0 的过剩。对于 6B = abcdei 和 4B = fghj 子块，允许的失衡值为 0、+2 或 -2。
• • 注：编码规则要求非零失衡块的极性必须交替。同时，6B 子块和 4B 子块之间不做区分；也就是说，在 6B 块中多出的两个 1 可以通过在 6B 或 4B 块中多出的两个 0 来补偿，反之亦然。

• 非零失衡的编码点以互补对的形式分配给单一的源数据点。编码函数生成其中一个编码点；如果该编码点违反了交替极性规则，则在编码切换中会对整个子块进行反转。6B 编码器中失衡和极性的确定之后，会进行相应的 4B 编码器操作，接着将运行失衡参数传递给下一字节的编码。大多数编码后的子块是零失衡，并且在大多数情况下，它们与运行失衡无关；即，它们没有互补。

• 这十条编码后的数据线 abcdeifghj 通常与串行接口；其中，a 位必须首先传输，而 j 位最后传输。

编码定义

8B/10B 编码通过将输入字节的 ABCDE 位 编码到 5B/6B 编码器中的数据线 abcdei 来完成，遵循 表 3 中的编码计划和规则；而 FGH 位 则在 3B/4B 编码器中编码为数据线 fghj，如 表 4 所示。

5B/6B encoding

• 表 3 中的第一列，标题为 “Name”，列出了 ABCDE 输入线 的 32 个十进制等效值，假设 A 是最低有效位，E 是最高有效位。对于常规数据（D.x），K 线必须保持为 0；为了编码特殊字符，K 线必须为 1;少数编码点可以是特殊字符的一部分，这些特殊字符可以被识别为非数据字符；这些编码点被命名为 D/K.x 或 K.x，并且在 K 列中标有 x。

• 在 “classification” 列中，L04 表示在 ABCD 中没有 1，只有四个 0；L13 表示在 ABCD 中有一个 1 和三个 0，以此类推。字母 L 表示该逻辑函数或分类是 5B/6B 编码器的一部分。类似的功能标记为 P，用于解码（见表 6）。符号右侧的重音符号用于表示互补；例如 E’ 表示 E 的互补；点（ • ）表示逻辑与（AND）运算。

• 在左侧 “abcdei” 标题下的列中，列出了所有直接由 5B/6B 逻辑函数 从 ABCDE 输入 生成的编码点。编码表的设计目标是使通过编码器时，必须改变的比特数量最小，并且所需的改变可以分类为几个适用于多个编码点的组（table was designed so that a minimal number of bits must be changed on passing through the encoder, and so that the changes which are required can be classified into a few groups applicable to several code points ）。表 3 中所有需要 5B/6B 逻辑函数 操作的比特（除去整个子块的互补，(other than complementation of the complete subblock）均以粗体显示，假设添加了额外的数字 “i”，其正常值为 0。

• 当输入满足左侧 “bit encoding” 中列出的逻辑条件时(就是classification列的左下侧那列)，粗体的比特将更改为 左侧 “abcdei” 列中所示的值；例如，如果 L04 条件成立，则 b 和 c 位被强制为 1，如 D.O 和 D.16 所示。在 D.16（104 • E）和 D.31（L40 • E）的 “bit encoding” 列中的第二个条目适用于 (•-digit)。此外，对于没有分类条目的行，ABCDE 位将不变地转换为 abcde，并且新增的 bit 为 0。

• 表 3 最右侧的 “abcdei alternate” 列显示了那些具有交替编码点的 ABCDE 输入 的互补。每个单独的 6B（4B同理）子块会根据失衡规则进行互补。在所有子块边界处，运行的失衡 要么是 +1，要么是 -1，绝不会是 0（见图 2）。

• “D—1” 列表示进入右侧相邻子块所需的运行失衡(running disparity)。“D - 1” 列中的 x 表示 (D - 1) 可以是 +1 或 -1。在此编码中，子块边界处的运行失衡极性与最近的 非零失衡块 的极性相同。

• 如表 3 中的第一行 D.O ：
  如果运行失衡匹配 (D - 1) = +，则编码器的输出将是 011000；否则，整个子块将被互补为 100111。

• “DO” 列表示左侧编码子块的失衡值，值为 0、+2 或 -2。表 3 和表 4 右侧的交替编码点的失衡值是左侧对应值的精确互补，因此不再显示。

• 与比特编码相似，编码器硬件直接从 ABCDE 和 K 输入 中确定子块的失衡值。根据失衡要求对编码词进行分类的相应逻辑函数显示在表 3 的单独一列中。

• 在表 3 中，D.7 行，一对零失衡的 6B 子块（111000 和 000111）被分配给单个数据点，并具有类似于适用于非零失衡子块的失衡约束。这个编码特性将最大数字和变化（DSV）从 8 降低到 6，并结合表 4 中 3B/4B 编码器 对 D/K.X.3（1100 和 0011）的类似规则，消除了所有 运行长度为 6 的序列，以及大多数 运行长度为 5 的序列。

• 将一对互补的零失衡子块分配给单个编码点的技术，也统一应用于所有作为特殊字符一部分的 4B 子块，如表 4 和表 5 中对于 K.28.1、K.28.2、K.28.3、K.28.5 和 K.28.6 所示。

3B/4B encoding

• Table 4 follows the conventions and notations of Table 3. In Table 4 some lines have two entries in the
  column for the classification of disparity; the left classification refers to the entry disparity D - I, and the right one to DO.

• D.x.P7（主7）和 D/K.y.A7（备用7）的编码需要解释。引入 D/K.y.A7 编码点是为了消除 eifgh 中的运行长度为 5 的序列。每当需要时，A7 编码会替换 P7 编码。
  

• 请注意，每当 K = 1 时，FGH = 111 始终被转换为 fghi = 0111 01 或其互补。

• D/K.y.A7 编码可以在 ghjab 位的尾部字符边界生成一个 **运行长度 (run length,RL) ** 为5的序列；然而，这个序列之前只有 1 的运行长度，在 f 位上，只有一个例外。如果前导字符是特殊字符 K.28.7，那么尾部字符边界的 RL 5 序列之前会有另一个 RL 5 序列出现在 cdeif 中。有关这些区别的意义，请参见特殊字符部分。

• K.28.1、K.28.2、K.28.5 和 K.28.6 的零失衡 4B 子块 处理方式与 D/K.x.3 类似，都是通过互补来生成具有字节同步或逗号特性的特殊字符。

Special characters

• 特殊字符在此定义为超出编码一个数据字节所需的 256 个编码点。它们通常用于建立字节同步、标记数据包的开始和结束，有时也用于信号控制功能，如 ABORT、RESET、SHUT-OFF、IDLE 和链路诊断。表 5 中显示的十二个特殊字符可以通过表 3 和表 4 中定义的编码规则生成。它们都符合一般编码约束，即最大运行长度为 5 和最大数字和变化为 6。

• 表 5 中的第一组八个特殊字符 K.28.x 可以通过观察 abcdei = 001111 或 abcdei = 110000 来识别为数据之外的字符。在数据中，我们从不出现 c = d = e = f。

• 表 5 中的第二组四个特殊字符 K.x.7 的特征是 eifghj = 101000 或 eifghj = 010111。它们与普通数据的区别在于 FGH 被编码为 0111 或 1000，在普通数据编码中则会使用 1110 或 0001。

Commas and packet delimiters 逗号和数据包分隔符

• 逗号[14] 表示正确的字节边界，并可用于即时获取或验证字节同步。为了具有实际意义，逗号序列必须是唯一的，并且必须以一致的对齐方式出现在字节边界上。在没有错误的情况下，逗号不能出现在其他任何比特位置上(无论是在字符内部还是跨字符重叠的比特中)。
  在该编码中，有三个字符（K.28.1、K.28.5、K.28.7）具有逗号特性。它们在表 5 中以星号标记，并用粗体字突出显示其唯一的逗号序列。这三个字符也是最适合作为信息包起始和结束标记的分隔符。

• 该编码中的唯一逗号序列是：一个以比特 b 结尾的、长度为 2 或更长的连续相同位（RL ≥ 2）序列，紧接着是比特 cdeif 中的一个长度为 5 的连续相同位（RL = 5）序列。其中，第二个 RL=5 序列不得是另一个逗号序列中允许的 RL≥2/RL=5 模式。
  换句话说，如果两个或三个这类 “RL≥2 / RL=5” 序列发生重叠时，只有第一个和第三个序列会被识别为逗号。
  之所以有此规则，是因为在某些情况下，K.28.7 逗号后面可能会紧跟另一个位于字段 ghjab 的 RL=5 序列。为了避免误判，需要限制哪些序列能被识别为逗号。

• 一串连续的 K.28.7 字符会生成交替的全为 1 或全为 0 的 长度为 5 的连续位（RL 5）序列，这种模式既不利于字符同步，也不利于位时钟同步。因此，不允许出现相邻的 K.28.7 字符。
  尽管有此限制，K.28.7 逗号仍常被优先使用，因为在同步状态下，任意单比特错误都不会把普通数据误解码为有效的 K.28.7 字符。

空闲序列（Idle sequence）

• 我们需要区分两类通信链路：一类是在数据包之间保持字节同步的链路，另一类则不保持字节同步。
  为了便于接收端时钟获取位同步（bit synchronism），在空闲状态下，维持较高的电平跳变密度（即 0 和 1 频繁交替）是非常重要的。
  因此，当数据包之间不保持字节同步时，适合使用0 和 1 交替的序列，这类序列可以通过向编码器输入 D.21.5 或 D.10.2 来生成。

• 为了实现1 和 0 的精确平衡，需要将结束时的数字不平衡值（disparity）传递到下一数据包，并且新数据包应该从偶数位编码数字之后开始。

然而，如果从奇数位编码数字开始新数据包，对噪声裕度的影响可以忽略不计，前提是：

• 数据包本身足够长（有几个字节以上），以及
• 空闲序列的运行不平衡度（running disparity）被限制在 –1、0 或 +1 之间。

这可以通过让空闲序列从一个 0 或一个 1 开始来实现，具体取决于前一个数据包结束时的不平衡情况（正或负）。详见图 2。

• 如果字节同步能够从一个数据包延续到下一个数据包，那么在两个数据包之间的间隙中填充非数据字符是有用的。
  例如，连续发送 K.23.7、K.27.7 或 K.29.7 字符会在每 100 位编码数字中产生 60 个电平转换。
  这些字符都能被识别为“非数据”，但仅靠这种空闲序列，接收端无法获取字节同步，除非偶尔插入一个逗号（comma）字符。
  作为替代方法，发送一串连续的 K.28.5 逗号字符也可以作为空闲序列，其在一半（50%）的位上产生转换。