USB3.0中8b/10b編解碼器的設計 - 全文

　　引言

　　8 b/10 b是目前許多高速串行總線采用的編碼機制，如USB 3.0，1394b，Serial ATA，PCI Express，Infini-band，F(xiàn)iber Channel，RapidIO等總線或網絡。8 b/10 b編碼方式最初由IBM公司于1983年發(fā)明并應用于ESCON(200M互連系統(tǒng))，發(fā)表Al Widmet和Peter Franaszek IBM刊物的“研究與開發(fā)”。8 b/10 b編解碼之所以能得到廣泛的運用，主要有以下優(yōu)點：采用嵌入式時鐘，可保持DC平衡;能夠更加有效地檢測錯誤;隔離數(shù)據碼元和控制碼元。

　　為了在USB 3.0中實現(xiàn)數(shù)據的8 b/10 b編解碼，采用了查找表法和組合邏輯相結合的方法，把8b/10b編解碼分解成5 b/6 b編解碼和3 b/4 b編解碼，用Verilog HDL語言實現(xiàn)了算法的描述，并通過了Modelsim 仿真，然后在FPGA上實現(xiàn)了具體的硬件電路。采用500 MHz的時鐘信號，經過測驗滿足了USB 3.0的傳輸速率5 Gb/s。該創(chuàng)新方法使用了少量邏輯，實現(xiàn)了8 b/10 b編解碼器，并且滿足USB 3.0高速數(shù)據傳輸?shù)囊蟆?/p>

　　1 USB 3.0中的8 b/10 b編解碼原理

　　在USB 3.0分層結構中，發(fā)送端先對數(shù)據或者控制字(K)加擾，然后把加擾后的8 b數(shù)據編碼成10b發(fā)送出去;接收端先把接收到的10b數(shù)據進行解碼得到8 b數(shù)據，然后再解擾得到原始數(shù)據。

　　8 b/10 b編碼包含對256個數(shù)據字符和12個控制字符的編碼。數(shù)據字符和控制字符分別用Dx，y和Kx，y表示，其中x表示與8 b的低5位(EDCBA)對應的十進制數(shù)值;y表示與8 b的高3位(HGF)對應的十進制數(shù)值。發(fā)送端在編碼時，根據編碼表將低5位變成6位，高3位變成4位。編碼完成后，將10 b的并行字符轉換成串行發(fā)送出去。接收端在解碼時先進行串并轉換得到10 b字符，再將該字符分解成6 b和4 b，根據相應編碼表看是否有效，最后完成解碼。編解碼轉換流程如圖1所示。

　　不平衡度disp(disparity)表示編碼后1個碼字中“1”數(shù)目與“0”的數(shù)目差?！?”用+1表示，“0”用-1表示，碼字中的所有“+1”與“-1”之和就是disp。8 b/10 b編碼的disp取3種狀態(tài)：“+2”(6個1與4個0)，“0”(5個0與5個1)，“-2”(6個0與4個1)。而運行不一致RD(Running Disparity)是一個二進制參數(shù)，只有正、負2種狀態(tài)，用于編碼模式控制。在8 b/10 b編碼表中，10 b字符分為2種碼表(RD-和RD+)。編碼過程中，通過對RD值正負的判斷來選擇對應碼表，如果當前RD為負(RD-)，編碼器會在RD-編碼表中選擇對應值輸出，并且檢測對應輸出的10 b值的disp，如果disp=0，則RD不變保持RD-，否則RD值變?yōu)镽D+;如果當前RD為正(RD+)，則在RD+編碼表中選擇對應值輸出，并且檢測輸出值對應的disp，如果disp=0，則RD不變保持RD+，否則RD變?yōu)樨揜D-?？傊赿isp為正或者負時，RD發(fā)生交替變換，這種方法是為了使0和1分布更均勻，減小差分信號的直流分量。

　　2 8 b/10 b編碼器的設計

　　8b/10b編碼器是把8 b數(shù)據輸入拆成低5位和高3位分別進行5 b/6 b和3 b/4 b編碼，根據編碼表執(zhí)行編碼。因為其中有些特殊的3b/4 b編碼，所以需要一個特殊3 b/4 b編碼模塊。編碼后數(shù)據通過RD控制模塊選擇輸出，并且把此時的RD狀態(tài)反饋給下一輪編碼。對于8 b控制輸入，由于K控制編碼只有12種有效，所以需要一個對無效K碼的識別模塊。因此，編碼器分為5個模塊：5 b/6 b編碼、3 b/4 b編碼、特殊3 b/4 b編碼、無效K碼檢測、RD_controller，前4個部分在RD_controller的控制下進行并行編碼，如圖2所示。圖中，kin為8 b控制輸入，data_in為8 b數(shù)據輸入。由于USB 3.0傳輸速度為5 Gb/s，編碼器clk為500MHz。

　　5 b/6 b編碼模塊、3 b/4 b編碼模塊對輸入的8 b數(shù)據輸入分為低5位和高3位進行并行編碼，輸出6 b和4 b數(shù)據構成10 b編碼，而輸出disp_6b，disp_4b是6 b和4 b數(shù)據的不平衡度。

　　由于在8 b/10 b轉換表中，8 b數(shù)據輸入高3位為“111”、低五位分別為“01011”，“01101”，“01110”，“10001”，“10010”，“10100”時，輸出的4 b是特殊情況，特殊3 b/4 b編碼模塊就是完成對這幾種特殊情況輸出，輸出sp_4b_RDN和sp_4b_RDP是特殊編碼的不平衡度。

　　當8 b輸入是控制K碼時，控制碼只有12種是有效的，無效K碼檢測模塊就是檢測輸入的控制碼是否有效，如果無效輸出invalid_k=1，如果有效則輸出invalid_k=0。

　　RD控制模塊除了將編碼后數(shù)據選擇輸出，主要是根據disp_6b，disp_4b，sp_4b_RDN和sp_4b_RDP來跟新當前RD值，并反饋到下一輪編碼的RD輸入，保持差分信號傳輸?shù)闹绷髌胶狻?/p>

　　3 8 b/10 b解碼器的設計

　　8b/10b解碼器接收到的數(shù)據是10 b，根據8 b10 b解碼原理，把10 b數(shù)據分開為低6 b和高4 b，然后分別對低6位和高4位進行解碼，劃分為2個模塊6 b/5 b解碼、4b/3b解碼。這些10位的數(shù)據分為特殊K字符和有效數(shù)據字符，特殊K字符是控制字符。解碼器結構如圖3所示，分為4個模塊：6 b/5 b解碼，4 b/3 b解碼，無效碼檢測、不平衡度檢測。

　　6b/5b解碼和4b/3b解碼模塊根據編碼表，選擇輸入10 b數(shù)據對應輸出5 b或3 b。當高4位為“1001”，“0110”，“1010”，“0101”時，數(shù)據字符和控制字符其對應的輸出是不同的;并且高4位為“0001”，“1110”時也是特殊情況。輸入10 b數(shù)據中有1 024個數(shù)據，有440個有效數(shù)據字符，24個控制字符，還有560個錯碼。當輸入為錯碼時，無效碼檢測模塊會檢測出錯，輸出1個errdetect。不平衡度檢測模塊主要是根據前面模塊輸出的disp和當前的disp(current-disp)，判斷解碼是否發(fā)生錯誤。當disp_4 b=0時，disp_6 b!=0，則current_disp應該等于disp_6 b，如果不等則發(fā)生錯誤。即要保持不平衡度在“+2，0，-2”三個值中變化，超出則發(fā)生編碼錯誤。

　　4 仿真分析

　　本文完成了8 b/10 b編解碼器的RTL設計，并在Modelsim上進行功能仿真。