高速串行通信编码8b/10b（一）

导言：

8b/10b编码是由IBM公司的Widmer和Franaszek于1993年提出并于1994年申请专利。其在以太网，光线通信，PCIe，SATA，USB3.0等高速串行接口领域得到了广泛的应用。8b/10b编码通过将8b数据编码为10b数据，避免连续出现0或者1，来保证DC平衡，并拥有足够的位转换密度来保证时钟恢复。这种编码方式使数据传输不再需要分布时钟，避免并行传输的一些缺点，可以实现更高数据速率的串行传输，本文就将展开讲解该编码的基本原理。

编码目的

• 在数据中嵌入时钟

8b/10b编码确保数据流中具有足够的边沿让接收端恢复时钟，从而不再需要分配时钟（传输过程不需要通用参考时钟），让传输实现更高的速率（串行）。避免了并行总线的一些缺点，比如飞行时间的限制，时钟偏斜的影响。同样避免了分配高频时钟可能带来的EMI和布线困难的影响。这里请注意，串行总线是当前高速接口的主流方案，但并不意味着串行方案能完全避免例如“偏斜”问题的影响，如果传输都是一个lane那当然没影响，但为了提高带宽，一般都不会是一个lane。比如PCIe中的X1，X4，X16，X32这些各个lane仍然会存在偏斜的问题，但收发器本身会处理这些偏斜，当然这不在本文讨论范围。

如上图的并行传输，需要通用时钟作为参考，面临的问题除了时钟偏斜，数据偏斜，还有飞行时间，也就是发射端到接收端信号需要的时间，该模式下必然要求飞行时间小于时钟频率，但随着传输速率需求提升，通用时钟频率会更大，从而飞行时间的影响也越大，除此以外的EMI和时钟布线的问题也会变得更严峻。

• 保持DC平衡

以PCIe为例，链路使用AC耦合，链路中放置电容，当频率越高，阻抗越低，反之频率越低，阻抗越高，当码型的0和1交替频繁，那么信号很容易传输过去，但如果出现连续的0或者1，意味着频率降低，可能无法识别0和1。这里有个概念叫“极性偏差”，就是10位数据中1的个数多于0称正极性偏差（+1），0的个数多于1称为副极性偏差（-1）。还有一种0和1相等，则无偏差（neutral disparity）。通过控制极性偏差实现10位数中不出现5个连续的0，也不会出现5个连续的1，且0和1的个数相差不会超过2，即要么相等，要么6个0，4个1，要么6个1，4个0。

• 加强错误检测

8b/10b编码方案同样加强了错误检测机制，8bit数据有256个编码，而10bit数据有1024个编码，如果1对1进行映射，那么这1024个编码中只需要找出256个编码来对应原始的8bit数据。由于数据的极性偏差要变化来保持DC平衡，所以一些数据映射到10位数据是存在两个数值的，即一个8位数据对应2个10bit的编码后值，分别为为正极性偏差和负极性偏差。那么数据应该映射了512个编码，考虑到有些编码后的10bit数据还存在“无偏差”（0和1个数相等），所以对于数据而言（不包含控制符）实际8bit数据映射到10bit数据需要的编码数小于512。即使加上控制符号编码，这个数字也是远小于1024个编码的，那么哪些不被映射的数据，就属于非法字符，接收端也可以依靠判断数据是否在合法来检测错误。

编码的基本原理

并非说8b/10b编码就没有缺点，影响最大的应该是产生了巨大开销，由8bit编码为10bit数据，其中2个数据为非用户数据，引入了20%的额外开销，当然有些协议也使用例如64b/66b，128b/130b的编码方式（例如PCIe3.0），这样能大大减少开销。

对于8b/10b编码，这里可能和大家想的不太一样，它并非是把8bit数据直接映射到10bit数据里，因为直接映射的话，对编码效率会有影响，也会增加对芯片面积的占用。所以这里把8bit分为2部分，低5位和高3位，对低5位进行5b/6b编码，对低三位进行3b/4b编码，最后再合并起来，提高效率。

8b/10b规定了256种数据映射（从8bit映射到10bit）和12个特殊控制字符编码，分别用Dx.y和Kx.y表示，其中Dx.y种x表示高3位，y表示低5位。对于特殊控制字符编码一般用于帧的起始终止符号以及逗号的检测，以PCIe2.0为例，K27.7是TLP的开始，K28.2是DLLP的开始等等不详细讲解了，可以参考相关手册。8位数据的低5位为EDCBA被编码为iedcba，高3位的HGF被编码为ihgf，最后组合一起为10位的ihgfiedcba。

5B/6B编码映射表（部分）

RD=+1表示1比0多，RD=-1表示0比1多。

3B/4B编码映射表

8B/10B编码映射表（部分）

特殊控制符号编码映射表

总结

本篇主要介绍一些基本的概念，下一篇讲编码的方式，以及给出一个参考的代码。

参考文献：