USB3.0中8b/10b編解碼器的設(shè)計(jì) - 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(jī)制，如USB 3.0，1394b，Serial ATA，PCI Express，Infini-band，F(xiàn)iber Channel，RapidIO等總線或網(wǎng)絡(luò)。8 b/10 b編碼方式最初由IBM公司于1983年發(fā)明并應(yīng)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(yùn)用，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：采用嵌入式時(shí)鐘，可保持DC平衡;能夠更加有效地檢測(cè)錯(cuò)誤;隔離數(shù)據(jù)碼元和控制碼元。

　　為了在USB 3.0中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的8 b/10 b編解碼，采用了查找表法和組合邏輯相結(jié)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(shí)現(xiàn)了算法的描述，并通過了Modelsim仿真，然后在FPGA上實(shí)現(xiàn)了具體的硬件電路。采用500 MHz的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過測(cè)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了8 b/10 b編解碼器，并且滿足USB 3.0高速數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)中，發(fā)送端先對(duì)數(shù)據(jù)或者控制字(K)加擾，然后把加擾后的8 b數(shù)據(jù)編碼成10b發(fā)送出去;接收端先把接收到的10b數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼得到8 b數(shù)據(jù)，然后再解擾得到原始數(shù)據(jù)。

　　8 b/10 b編碼包含對(duì)256個(gè)數(shù)據(jù)字符和12個(gè)控制字符的編碼。數(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值;y表示與8 b的高3位(HGF)對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)值。發(fā)送端在編碼時(shí)，根據(jù)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(zhuǎn)換成串行發(fā)送出去。接收端在解碼時(shí)先進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換得到10 b字符，再將該字符分解成6 b和4 b，根據(jù)相應(yīng)編碼表看是否有效，最后完成解碼。編解碼轉(zhuǎn)換流程如圖1所示。

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　　不平衡度disp(disparity)表示編碼后1個(gè)碼字中“1”數(shù)目與“0”的數(shù)目差。“1”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(gè)1與4個(gè)0)，“0”(5個(gè)0與5個(gè)1)，“-2”(6個(gè)0與4個(gè)1)。而運(yùn)行不一致RD(Running Disparity)是一個(gè)二進(jìn)制參數(shù)，只有正、負(fù)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(duì)RD值正負(fù)的判斷來選擇對(duì)應(yīng)碼表，如果當(dāng)前RD為負(fù)(RD-)，編碼器會(huì)在RD-編碼表中選擇對(duì)應(yīng)值輸出，并且檢測(cè)對(duì)應(yīng)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(dāng)前RD為正(RD+)，則在RD+編碼表中選擇對(duì)應(yīng)值輸出，并且檢測(cè)輸出值對(duì)應(yīng)的disp，如果disp=0，則RD不變保持RD+，否則RD變?yōu)樨?fù)RD-?？傊赿isp為正或者負(fù)時(shí)，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(hào)的直流分量。

　　2 8 b/10 b編碼器的設(shè)計(jì)

　　8b/10b編碼器是把8 b數(shù)據(jù)輸入拆成低5位和高3位分別進(jìn)行5 b/6 b和3 b/4 b編碼，根據(jù)編碼表執(zhí)行編碼。因?yàn)槠渲杏行┨厥獾?b/4 b編碼，所以需要一個(gè)特殊3 b/4 b編碼模塊。編碼后數(shù)據(jù)通過RD控制模塊選擇輸出，并且把此時(shí)的RD狀態(tài)反饋給下一輪編碼。對(duì)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(gè)對(duì)無效K碼的識(shí)別模塊。因此，編碼器分為5個(gè)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(cè)、RD_controller，前4個(gè)部分在RD_controller的控制下進(jìn)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(jù)輸入。由于USB 3.0傳輸速度為5 Gb/s，編碼器clk為500MHz。

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　　5 b/6 b編碼模塊、3 b/4 b編碼模塊對(duì)輸入的8 b數(shù)據(jù)輸入分為低5位和高3位進(jìn)行并行編碼，輸出6 b和4 b數(shù)據(jù)構(gòu)成10 b編碼，而輸出disp_6b，disp_4b是6 b和4 b數(shù)據(jù)的不平衡度。

　　由于在8 b/10 b轉(zhuǎn)換表中，8 b數(shù)據(jù)輸入高3位為“111”、低五位分別為“01011”，“01101”，“01110”，“10001”，“10010”，“10100”時(shí)，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(duì)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(dāng)8 b輸入是控制K碼時(shí)，控制碼只有12種是有效的，無效K碼檢測(cè)模塊就是檢測(cè)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(jù)選擇輸出，主要是根據(jù)disp_6b，disp_4b，sp_4b_RDN和sp_4b_RDP來跟新當(dāng)前RD值，并反饋到下一輪編碼的RD輸入，保持差分信號(hào)傳輸?shù)闹绷髌胶狻?/p>

　　3 8 b/10 b解碼器的設(shè)計(jì)

　　8b/10b解碼器接收到的數(shù)據(jù)是10 b，根據(jù)8 b10 b解碼原理，把10 b數(shù)據(jù)分開為低6 b和高4 b，然后分別對(duì)低6位和高4位進(jìn)行解碼，劃分為2個(gè)模塊6 b/5 b解碼、4b/3b解碼。這些10位的數(shù)據(jù)分為特殊K字符和有效數(shù)據(jù)字符，特殊K字符是控制字符。解碼器結(jié)構(gòu)如圖3所示，分為4個(gè)模塊：6 b/5 b解碼，4 b/3 b解碼，無效碼檢測(cè)、不平衡度檢測(cè)。

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　　6b/5b解碼和4b/3b解碼模塊根據(jù)編碼表，選擇輸入10 b數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)輸出5 b或3 b。當(dāng)高4位為“1001”，“0110”，“1010”，“0101”時(shí)，數(shù)據(jù)字符和控制字符其對(duì)應(yīng)的輸出是不同的;并且高4位為“0001”，“1110”時(shí)也是特殊情況。輸入10 b數(shù)據(jù)中有1 024個(gè)數(shù)據(jù)，有440個(gè)有效數(shù)據(jù)字符，24個(gè)控制字符，還有560個(gè)錯(cuò)碼。當(dāng)輸入為錯(cuò)碼時(shí)，無效碼檢測(cè)模塊會(huì)檢測(cè)出錯(cuò)，輸出1個(gè)errdetect。不平衡度檢測(cè)模塊主要是根據(jù)前面模塊輸出的disp和當(dāng)前的disp(current-disp)，判斷解碼是否發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)disp_4 b=0時(shí)，disp_6 b!=0，則current_disp應(yīng)該等于disp_6 b，如果不等則發(fā)生錯(cuò)誤。即要保持不平衡度在“+2，0，-2”三個(gè)值中變化，超出則發(fā)生編碼錯(cuò)誤。

　　4 仿真分析

　　本文完成了8 b/10 b編解碼器的RTL設(shè)計(jì)，并在Modelsim上進(jìn)行功能仿真。

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　　圖6是編解碼聯(lián)調(diào)的仿真波形，可以看出輸入的數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼器編碼成10 b的數(shù)據(jù)，然后在經(jīng)過解碼器所還原的數(shù)據(jù)跟之前輸入的數(shù)據(jù)一樣，說明編解碼功能正確，并且最高的工作頻率能夠達(dá)到500 MHz，滿足USB 3.0的數(shù)據(jù)傳輸速度。

　　5 結(jié)語

　　本文采用的分塊編解碼方法，使用了少量的邏輯完成了8 b/10 b編解碼器設(shè)計(jì)。該編解碼器在USB 3.0數(shù)據(jù)傳輸中能夠得到很好的運(yùn)用，滿足了USB 3.0高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊蟆?/p>