高速串行接口的编码技术(8B10B)
串行互连接口的速率在过去几年里得到了显著提高,每线的速率从 2.5Gbit/s 提高到
10Gbit/s,而每个接口可以容纳 1 到 32 线。8B10B 作为互连接口的一种编码技术,设计简
单、性能出众,因此成为应用最广泛的技术。然而,它的系统开销高达 25%,问题突出。为
了解决这个问题,设计者们一直在探寻改进的方法。本文就将介绍一些低开销的编码技术,
并讨论它们的优势与存在的问题。
编码技术基础理论
目前,高速接口正在被广泛应用于包括 SATA、SAS、高速 PCI 等多种标准中。这些接口的速
率甚至可以达到并超过每线 10Gbits/s。同时,所有主流 ASIC 和 FPGA 平台也都支持这些高
速接口技术。从结构上看,这些高速接口主要包括三个组成部分:
l 电路部分(串行/解串行)
l 物理部分(实现编码)
l 链路与协议部分(高层)
l 支持多速率、多协议的串行/解串行器已经实现。以 OIF(光互联论坛)为例,他们已经为
两组速率制定了电路规范,分别为 5Gbits/s-6.375Gbits/s 和 10Gbits/s-11Gbits/s。OIF 同样
为两种应用距离制定了规范,分别为短距离(采用一个连接器,8 英寸)和长距离(采用两
个连接器,40 英寸)。串行/解串行器还可以被设计用来满足更多的规范,包括不同的速率、
距离、电路规格等等。
物理部分的主要任务是对数据进行编码,以保证串行/解串行器的正常运行。这些编码的目
的包括:确保必须的变换(“1”到“0”和“0”到“1”的变换),保证稳定的直流均衡(“0”码与
码的个数相当),以及满足其它标准的要求(最大化信道带宽利用率,提高对误差的容忍能
力等等)。
以 Manchester 编码为例,这种编码技术被广泛应用于 10Mbit/s 以太网连接中。它的编码方
式非常简单,就是将“1”编码为“01”,将“0”编码为“10”。从编码原理我们可以推断出:
l 最大相同连续字符数为 2(正常情况下连续出现两个以上连续“0”或“1”是不可能的)。
l 保证稳定的直流均衡(“0”的个数与“1”的个数总是相同的)。
l 具备 1bit 误码纠错能力(“00”或者“11”是无效码)。
l 高达 100%的系统开销。
扰码技术是串行链路常用的另一种编码技术。这种技术将伪随机序列与原始码流混合,以实
现转换、直流均衡等目的。伪随机发生器由线性反馈移位寄存器产生的最长序列(m 序列)
构成 1。此序列的周期为 2n,其中 n 为线性反馈移位寄存器特征多项式的最高阶。例如
SONET/SDH的特征多项式为 x7+x6+1,它的序列长度为 27-1,即 127。
扰码器包括两种类型,分别为边扰码器与自同步扰码器。通常,边扰码器的寄存器状态与发
送数据异或构成它的下一个状态,这需要在输入与输出之间“重置/同步”扰码器状态。自同步
扰码器直接将输入数据作为扰码器状态,不需要重置和同步过程。
8B10B 编码技术
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