高速串行接口的編碼技術(shù)

編碼技術(shù)基礎(chǔ)理論

　　目前，高速接口正在被廣泛應(yīng)用于包括SATA、SAS、高速PCI等多種標(biāo)準(zhǔn)中。這些接口的速率甚至可以達(dá)到并超過每線10Gbits/s。同時，所有主流ASIC和FPGA平臺也都支持這些高速接口技術(shù)。從結(jié)構(gòu)上看，這些高速接口主要包括三個組成部分：

　　電路部分（串行/解串行）
　　物理部分（實(shí)現(xiàn)編碼）
　　鏈路與協(xié)議部分（高層）

　　支持多速率、多協(xié)議的串行/解串行器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。以O(shè)IF（光互聯(lián)論壇）為例，他們已經(jīng)為兩組速率制定了電路規(guī)范，分別為5Gbits/s-6.375Gbits/s和10Gbits/s-11Gbits/s。OIF同樣為兩種應(yīng)用距離制定了規(guī)范，分別為短距離（采用一個連接器，8英寸）和長距離（采用兩個連接器，40英寸）。串行/解串行器還可以被設(shè)計(jì)用來滿足更多的規(guī)范，包括不同的速率、距離、電路規(guī)格等等。

　　物理部分的主要任務(wù)是對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，以保證串行/解串行器的正常運(yùn)行。這些編碼的目的包括：確保必須的變換（“1”到“0”和“0”到“1”的變換），保證穩(wěn)定的直流均衡（“0”碼與“1”碼的個數(shù)相當(dāng)），以及滿足其它標(biāo)準(zhǔn)的要求（最大化信道帶寬利用率，提高對誤差的容忍能力等等）。

　　以MancheSTer編碼為例，這種編碼技術(shù)被廣泛應(yīng)用于10Mbit/s以太網(wǎng)連接中。它的編碼方式非常簡單，就是將“1”編碼為“01”，將“0”編碼為“10”。從編碼原理我們可以推斷出：

　　最大相同連續(xù)字符數(shù)為2（正常情況下連續(xù)出現(xiàn)兩個以上連續(xù)“0”或“1”是不可能的）。

　　保證穩(wěn)定的直流均衡（“0”的個數(shù)與“1”的個數(shù)總是相同的）。

　　具備1bit誤碼糾錯能力（“00”或者“11”是無效碼）。

　　高達(dá)100%的系統(tǒng)開銷。

　　擾碼技術(shù)是串行鏈路常用的另一種編碼技術(shù)。這種技術(shù)將偽隨機(jī)序列與原始碼流混合，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換、直流均衡等目的。偽隨機(jī)發(fā)生器由線性反饋移位寄存器產(chǎn)生的最長序列（m序列）構(gòu)成1。此序列的周期為2n，其中n為線性反饋移位寄存器特征多項(xiàng)式的最高階。例如SONET/SDH的特征多項(xiàng)式為x7+x6+1，它的序列長度為27-1，即127。

　　擾碼器包括兩種類型，分別為邊擾碼器與自同步擾碼器。通常，邊擾碼器的寄存器狀態(tài)與發(fā)送數(shù)據(jù)異或構(gòu)成它的下一個狀態(tài)，這需要在輸入與輸出之間“重置/同步”擾碼器狀態(tài)。自同步擾碼器直接將輸入數(shù)據(jù)作為擾碼器狀態(tài)，不需要重置和同步過程。

8B10B編碼技術(shù)

　　8B10B是應(yīng)用最廣泛的編碼技術(shù)。它被用于串行連接SCSI、串行ATA、光纖鏈路、吉比特以太網(wǎng)、XAUI（10吉比特接口）、PCI Express總線、InfiniBand、Seria　RapidIO、HyperTransport總線以及IEEE1394b接口（火線）技術(shù)中。

　　8B10B2將8bit代碼組合編碼成10bit代碼，代碼組合包括256個數(shù)據(jù)字符編碼和12個控制字符編碼（如表1所示）。通過仔細(xì)選擇編碼方法可以獲得不同的優(yōu)化特性。這些特性包括滿足串行/解串行器功能必須的變換；確保“0”碼元與“1”碼元個數(shù)的一致，又稱為直流均衡；確保字節(jié)同步易于實(shí)現(xiàn)（在一個比特流中找到字節(jié)的起始位）；以及對誤碼率有足夠的容忍能力和降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

　　8B10B中所有的編碼都具備3到10種變換。每個碼字確保：

　　在一行中不會產(chǎn)生超過四個連“1”或連“0”；

　　“1”與“0”的不平衡度（不平衡度指“0”的個數(shù)減去“1”的個數(shù)）不會超過2個碼字（5個“1”/5個“0”，4個“1”/6個“0”或4個“0”/6個“1”）。

　　8B10B采用一種簡單的方法保證了編碼的直流平衡。在不平衡時，采用兩個10bit字符表示一個8bit字符，其中一個稱為RD-，表示“1”的個數(shù)比“0”多2個，另一個稱為RD+，表示“1”的個數(shù)比“0”少2個。選取合適的RD字符可以保證不平衡度不大于1。同時，采用只有在控制字符（K28.5，K28.1，K28.7）中才有的特殊字符可以保證同步定位的準(zhǔn)確。

　　8B10B借助總共268個字符及它們的反轉(zhuǎn)碼，還可以檢測任何可能破壞不平衡的誤碼。但是，即使接收機(jī)接收到了正確的碼字，有時它們也有可能因?yàn)椴黄胶庑远鴮?dǎo)致誤碼，這種現(xiàn)象被稱為誤碼復(fù)制。8B10B編碼技術(shù)將8bit數(shù)據(jù)分成3bit和5bit兩組，因此可以看作是3B4B和5B6B編碼技術(shù)的組合。

　　改進(jìn)傳統(tǒng)8B10B編碼技術(shù)的一種方法是，在編碼之前增加擾碼過程。有證據(jù)證明，特殊的模式3或差分群時延可能會導(dǎo)致重復(fù)模式產(chǎn)生不可預(yù)測的誤碼。解決這個問題最直接的辦法就是在編碼之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行擾碼。

　　以上這些特點(diǎn)保證了8B10B編碼成為使用最廣泛的編碼技術(shù)。它最主要的缺點(diǎn)只有一個，就是高達(dá)25%的系統(tǒng)開銷。

低開銷編碼

　　最近，人們提出了幾種降低8B10B編碼技術(shù)系統(tǒng)開銷的改進(jìn)方法。這些改進(jìn)主要基于以下兩個基礎(chǔ)：一是隨著鏈路速率與數(shù)量的增加，25%系統(tǒng)開銷的問題顯得越來越突出；二是集成技術(shù)的進(jìn)步，使得硬件復(fù)雜度不再像過去那樣重要。

　　在這些低開銷的改進(jìn)技術(shù)中，有四個非常相似的技術(shù)脫穎而出，受到人們的廣泛關(guān)注：

　　64B66B編碼技術(shù)，應(yīng)用于10G以太網(wǎng)4；
　　OIF CEIP5；
　　10GBase-KR6，應(yīng)用于10GbE背板連接；
　　Interlaken7。

　　這些技術(shù)的共同點(diǎn)是，都以提高硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度（門數(shù)目）為代價(jià)，換取了較低的系統(tǒng)開銷。

　　64B66B編碼技術(shù)。這種技術(shù)應(yīng)用于10G以太網(wǎng)（10GBase-R），是一種編碼與擾碼相結(jié)合的技術(shù)。首先，數(shù)據(jù)被分成8個字節(jié)一組（總共64比特）。然后，這些字節(jié)采用自同步擾碼實(shí)現(xiàn)隨機(jī)化，其特征多項(xiàng)式為x58+x39+1。最后，如果這些8字節(jié)組是數(shù)據(jù)字符，那么會加上“01”標(biāo)識；如果有一個或多個字節(jié)是控制字符，那么就會加上“10”標(biāo)識。

表1. 主要標(biāo)準(zhǔn)中的控制碼字使用

　　在此編碼技術(shù)中，將8個字節(jié)的字符（由8B10B編碼定義，可能是數(shù)據(jù)或控制字符）編碼為64比特長字符的過程通常被稱為轉(zhuǎn)換代碼。GFP-T8為組合8B10B的8比特為64比特字符提供了標(biāo)準(zhǔn)方法。而10GbE為10G以太網(wǎng)和10Gbit/s光纖鏈路提供了相關(guān)子集的映射表。用于同步定位的“01”和“10”比特不參與擾碼過程。這是因?yàn)槠渌忍卦跀_碼后可能取任何值，只有同步比特“01”和“10”在經(jīng)歷長途傳輸后基本保持不變。同步比特還可以保證每隔66比特至少會發(fā)生一次轉(zhuǎn)換。

　　CEI-P編碼技術(shù)。這種技術(shù)由OIF定義。它的系統(tǒng)開銷與64B66B編碼相等，大約為3%。當(dāng)然，它還有很多不同之處。

　　CEI-P采用邊擾碼，特征多項(xiàng)式為x17+x14+1。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以有效防止誤碼復(fù)制的產(chǎn)生（擾碼的狀態(tài)不會受之前產(chǎn)生的誤碼影響），缺點(diǎn)是需要在發(fā)送與接收之間同步擾碼狀態(tài)。

　　當(dāng)邊擾碼與線路誤碼無關(guān)時，如果發(fā)送數(shù)據(jù)與擾碼值相同（或恰好相反），那么擾碼器會輸出非常長的“1”或“0”序列。而這種非常長的擾碼輸出序列比短的序列對誤碼的容忍能力更強(qiáng)。

　　CEI-P編碼采用幀同步取代定位同步。64B66B采用同步比特實(shí)現(xiàn)定位，而CEI-P將24個64比特碼字看作一幀，這樣用1個比特就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)或控制字符的判定。附加的24比特用于誤碼校驗(yàn)與信令。其中誤碼校驗(yàn)使用20比特，采用fire-code技術(shù)，可以糾正長達(dá)7比特的突發(fā)誤碼串。

　　10GBase-KR編碼技術(shù)。這種技術(shù)的系統(tǒng)開銷與CEI-P一致，都是3%，主要的不同在于幀的長度是32個碼字，而不是24個碼字。這樣一來糾錯碼長度就是32比特，可以糾正比CEI-P更長的突發(fā)誤碼串。而它采用的擾碼規(guī)則與10GbE相似。只不過它的擾碼多項(xiàng)式與10GBase-R一致，寄存器采用的初始序列為“010101……”，而且每一幀重置一次。

　　Interlaken PHY編碼技術(shù)。Interlaken編碼技術(shù)的系統(tǒng)開銷為4.5%（64/67）。它的碼字基于64比特。與其它低開銷編碼技術(shù)相比，Interlaken的主要不同之處在于：

　　同步信號為3個比特，其中兩個比特用于區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)與控制，一個比特用于標(biāo)識數(shù)據(jù)是否轉(zhuǎn)化。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化比特的目的與8B10B類似，都是為了保證直流平衡；

　　Interlaken采用與10GbE相同的邊擾碼特征多項(xiàng)式實(shí)現(xiàn)擾碼。這樣可以避免因采用自同步擾碼器所導(dǎo)致的誤碼復(fù)制問題。一個同步碼字用于傳遞擾碼器狀態(tài)，而且它非常長的擾碼長度保證不會出現(xiàn)很長的連“0”或者連“1”；

表2. 編碼技術(shù)的對比

　　整個鏈路采用CRC32循環(huán)冗余校驗(yàn)方式保證誤碼校驗(yàn)。

　　表2對比了以上討論的幾種編碼技術(shù)的異同，主要包括以下幾點(diǎn)：
　　實(shí)際采用情況；
　　系統(tǒng)開銷；
　　轉(zhuǎn)換密度與直流平衡；
　　同步定位；
　　誤碼（保護(hù)、校驗(yàn)、復(fù)制）；
　　硬件復(fù)雜度（門數(shù)目）。

　　雖然8B10B編碼行之有效，而且被廣泛采用，但是它高達(dá)25%系統(tǒng)開銷的缺點(diǎn)在未來數(shù)百吉比特鏈路與系統(tǒng)應(yīng)用中顯得越來越突出。現(xiàn)在已經(jīng)有若干種低開銷的編碼技術(shù)，它們具備不同的優(yōu)勢與缺點(diǎn)。但是到目前為止，還沒有哪種低開銷技術(shù)能夠脫穎而出，成為繼8B10B之后被廣泛采用的首選技術(shù)。不過，本文所提到的幾種技術(shù)都以提高硬件復(fù)雜度為代價(jià)，以滿足低開銷的要求。