應(yīng)用于以太網(wǎng)技術(shù)的64B/66B編碼心得筆記

摘要：64B/66B編碼技術(shù)是IEEE 802.3工作組為10G以太網(wǎng)提出的，目的是減少編碼開銷，降低硬件的復(fù)雜性，并作為8B/10B編碼的另一種選擇，以支持新的程序和數(shù)據(jù)。在本篇文章中，我將從它的提出背景、編碼格式、編碼原理、和8B/10B比較它的優(yōu)缺點(diǎn)等方面和大家分享一下，在學(xué)習(xí)過程中有關(guān)64B/66B編碼的心得筆記。

關(guān)鍵字：8B/10B，64B/66B，編碼，擾碼

1、??引言

①??經(jīng)過之前的學(xué)習(xí)，我們知道，8b/10b編碼最初由IBM公司于1983年發(fā)明，并應(yīng)用于ESCON(200M互連系統(tǒng)）的一種編碼方式。8B/10B編碼不只應(yīng)用于光纖通道，目前在許多高速串行總線。

我們知道的8b/10b編碼的特性之一是保證DC 平衡。

采用8b/10b編碼方式，可使得發(fā)送的“0”、“1”數(shù)量保持基本一致，連續(xù)的“1”或“0”不超過5位，即每5個(gè)連續(xù)的“1”或“0”后必須插入一位“0”或“1”，從而保證信號(hào)DC平衡，也就是說，在鏈路超時(shí)時(shí)不致發(fā)生DC失調(diào)。

通過8b/10b編碼，可以保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串在接收端能夠被正確復(fù)原，除此之外，利用一些特殊的代碼( 在PCI-Express總線中為K碼) ，可以幫助接收端進(jìn)行還原的工作，并且可以在早期發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)位的傳輸錯(cuò)誤，抑制錯(cuò)誤繼續(xù)發(fā)生。

然而，將原本8位的字節(jié)用10位來表示，會(huì)使8B/10B編碼的開銷太大，帶寬利用率并不高。

于是，就有了一系列的優(yōu)化編碼方式，其中64B/66B就是其中的一種。

②? 64B/66B編碼技術(shù)是IEEE802.3工作組為10G以太網(wǎng)提出的，目的是減少編碼開銷，降低硬件的復(fù)雜性，并作為8B/10B編碼的另一種選擇，以支持新的程序和數(shù)據(jù)。它并不是真正的編碼，而是一種基于擾碼機(jī)制編解碼方式，這種編碼方式，是IEEE推薦的10G通信的標(biāo)準(zhǔn)編碼方式。

當(dāng)前，64B/66B編碼主要應(yīng)用于FiberChannel 10GFC和16GFC、10G以太網(wǎng)、100G以太網(wǎng)、10G EPON、InfiniBand、Thunderbolt和Xilinx的Aurora協(xié)議。

2、??64B/66B編碼技術(shù)

64B/66B編碼將64bit“數(shù)據(jù)或控制信息”編碼成66bit塊來進(jìn)行傳輸，這66bit中，前兩位表示同步頭（2bit Sync Header），主要用于接收端的數(shù)據(jù)對(duì)齊和接收數(shù)據(jù)位流的同步。

00??????編碼錯(cuò)誤

01??????64 bit = 純數(shù)據(jù)

10??????64 bit = 混合的數(shù)據(jù)/控制信息

11??????編碼錯(cuò)誤

也就是說，在沒有發(fā)生錯(cuò)誤的情況下，每66位的數(shù)據(jù)，就會(huì)出現(xiàn)至少一個(gè)“01”或者“10”的轉(zhuǎn)換。

同步頭有“01”和“10”兩種:

“01“表示后面的64bit都是數(shù)據(jù)。

“10”表示后面的64bit是數(shù)據(jù)和控制信息的混合，其中緊挨著同步頭的8b是類型域，后面的56bit是控制信息或者數(shù)據(jù)或者兩者的混合。

①??對(duì)于純數(shù)據(jù)Pure data

同步頭：01，后面的信息：8*8=64bit數(shù)據(jù)

②??對(duì)對(duì)于純控制Pure Control (Type = 0x1E)

同步頭：10，后面的信息：8bit類型表示+7*8控制信息

③??對(duì)于數(shù)據(jù)和控制信息的混合

同步頭：10，后面的信息：數(shù)據(jù)信息和控制信息的混合。

64B/66B編碼格式圖如下圖所示：

其中，D表示數(shù)據(jù)編碼，每個(gè)數(shù)據(jù)碼8bit；Z表示控制碼，每個(gè)控制碼7bit；S表示包的開始，T表示包的結(jié)束。S只會(huì)出現(xiàn)在8字節(jié)中的第0和第4字節(jié)，T能夠出現(xiàn)在任意的字節(jié)。

下面我們一起來看一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，這個(gè)例子將幫助我們更好地理解數(shù)據(jù)幀和控制幀。

一個(gè)18 bytes的數(shù)據(jù)塊的傳輸過程如下圖所示：

這過程是怎么樣的呢？我們一起來看一下，從圖中我們可以直觀的看到，在數(shù)據(jù)的傳輸過程中，我們需要用到兩個(gè)控制幀，一個(gè)是開始部分的控制幀，用來告訴接收方這是某一個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始，還要有的是一個(gè)用來表示結(jié)束的控制幀，告訴接收方該數(shù)據(jù)塊到此結(jié)束。

從圖中我們可以知道，在開始和結(jié)束的控制幀之外，為純數(shù)幀，一個(gè)純數(shù)據(jù)幀，他能表示64bit的數(shù)據(jù)。不管是數(shù)據(jù)幀還是控制幀，每隔64bit，就會(huì)插入一個(gè)01或者10序列來分隔，我們還知道，他的DC平衡并不是由這兩位01.10來完成的，相對(duì)于64bit這么大的數(shù)據(jù)塊，10和01的平衡能力微乎其微，在學(xué)習(xí)的過程中，我們知道他用到的是擾碼技術(shù)，這是我們下一個(gè)模塊要講述的內(nèi)容。

3、??擾碼傳輸技術(shù)

上面我們提到，除同步碼外，64bit的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過擾碼以后才能進(jìn)行傳輸，在引言部分我們說過，64B/66B并不是真正的編碼，而是一種基于擾碼機(jī)制編解碼方式。

我們知道8B/10B編碼通過優(yōu)化直流平衡，從8bit中插2個(gè)bit進(jìn)去，這樣能夠使長(zhǎng)0或者長(zhǎng)1的位數(shù)不超過5位，達(dá)到很好的效果。那64B/66B編碼方式呢？在從64個(gè)bit中僅加入2個(gè)bit，能夠很好的解決長(zhǎng)0長(zhǎng)1的問題嗎？作用似乎只是杯水車薪，2個(gè)bit相對(duì)于64個(gè)bit太少了。

當(dāng)然，如果僅靠這2個(gè)bit來實(shí)現(xiàn)8B/10B的作用顯然不太現(xiàn)實(shí)。其實(shí)上，這兩個(gè)bit只是起一個(gè)同步頭的作用，主要用于接收端的數(shù)據(jù)對(duì)齊和接收數(shù)據(jù)位流的同步。

那按照上面說的，新加的2個(gè)bit只是作為同步，那后面的數(shù)據(jù)可以如何優(yōu)化呢？這里有一項(xiàng)區(qū)別于8B/10B編碼的技術(shù)——擾碼。

為此，我又去查資料看了一下，有關(guān)擾碼的相關(guān)知識(shí)。

通過查資料我知道，擾一種將數(shù)據(jù)重新排列或者進(jìn)行編碼以使其最優(yōu)化的方法，他的作用是對(duì)數(shù)字信號(hào)的比特級(jí)進(jìn)行隨機(jī)處理，減少連0和連1的出現(xiàn)，從而減少碼間干擾和抖動(dòng)，方便接收端的時(shí)鐘提??；同時(shí)又?jǐn)U展了基帶信號(hào)頻譜，起到加密的效果。

為了保證在任何情況下進(jìn)入傳輸信道的數(shù)據(jù)碼流中“0”與“1”的概率都能基本相等，傳輸系統(tǒng)會(huì)用一個(gè)偽隨機(jī)序列對(duì)輸入的傳送碼流進(jìn)行擾亂處理，將二進(jìn)制數(shù)字信息做“隨機(jī)化”處理，變?yōu)閭坞S機(jī)序列，也能限制連“0”碼或連“1”碼的長(zhǎng)度，這種“隨機(jī)化”處理通常稱為“擾碼”。

擾亂雖然改變了原始傳送碼流，但這種擾亂是有規(guī)律的，因而也是可以解除的，在接收端解除這種擾亂的過程稱為解擾。完成擾碼和解擾的電路相應(yīng)稱為擾碼器和解擾器。

64B/66B自同步擾碼實(shí)現(xiàn)隨機(jī)化，編碼所使用的擾碼器為: X58+X39+1

擾碼的數(shù)學(xué)原理使用了多項(xiàng)式，多項(xiàng)式的選擇通常是基于擾碼的特性，包括生成數(shù)據(jù)的隨機(jī)度，以及打亂連0和連1的能力。一個(gè)簡(jiǎn)單的擾碼器包含一組排列好的觸發(fā)器，用于移位數(shù)據(jù)流。大部分的觸發(fā)器只需要簡(jiǎn)單地輸出下一個(gè)比特流即可，但是在復(fù)雜的擾碼電路中，觸發(fā)器需要與數(shù)據(jù)流中的歷史比特進(jìn)行邏輯運(yùn)算（與和或運(yùn)算）。基本的擾碼電路如下所示：

第39和第58位的異或運(yùn)算，然后通過移位寄存器輸出的碼型結(jié)果。這是一個(gè)需要大量計(jì)算的過程，但對(duì)于我們的計(jì)算機(jī)來說，僅僅是異或和移位的操作是比較簡(jiǎn)單的，他可以很快就完成。

他的計(jì)算原理，我們通過一個(gè)簡(jiǎn)單的表達(dá)式的例子來講解：X3+X2+1。

首先我們有一個(gè)初始狀態(tài)“111”。我們就有了下面這么一個(gè)計(jì)算過程（畫得不好，大家看內(nèi)容就好）。簡(jiǎn)單說明一下，紅色為異或運(yùn)算過程，藍(lán)色為每次移位后的bit，綠色為輸出的數(shù)據(jù)bit，紫色說明繞一圈之后又回到了原先，循環(huán)了一次。

具體的計(jì)算過程，如下圖，我們一起來看一下圖。

這是一個(gè)初始一直是111的例子，也就是說，我們的輸入一直都是111.觀察最終的輸出結(jié)果我們可以看出，他得到了0，不再是全是1。

4、??編碼過程

關(guān)于編碼過程，我們先一起來看一個(gè)圖：

圖中的CGMII是物理編碼子層，output of ?encoder function為編碼器的輸出結(jié)果，outputof scrambler function為擾碼器的輸出結(jié)果，transmit block為傳輸塊，Gearbox為變速箱。

我們一起來看一下這個(gè)過程，我們一些數(shù)據(jù)塊要傳輸，假設(shè)說從物理編碼子層傳來的這兩個(gè)塊每個(gè)是32bit，加在一起才有64bit，經(jīng)過encoder編碼器進(jìn)行編碼，得到編碼后的數(shù)據(jù)D0-D7，生成同步頭01或者10，然后不含同步頭的D0-D7，經(jīng)過擾碼器，得到表達(dá)式X58+X39+1擾碼后的數(shù)據(jù)S0-S7。

在之后，將同步頭和擾碼后的數(shù)據(jù)S0-S7合并，生成一個(gè)傳輸塊，將這個(gè)傳輸塊經(jīng)過GearBox處理后，完成編碼。

5、??8B/10B、64B/66B簡(jiǎn)單比較

這里，我們一起來看一個(gè)比較的圖：

在圖中，我們分別從他們之中的連續(xù)的0和連續(xù)的1的個(gè)數(shù)、DC平衡能力、位同步時(shí)鐘恢復(fù)能力，字同步能力控制塊等方面進(jìn)行了比較。

經(jīng)過對(duì)比分析我們可以得知，8B/10B編碼的連續(xù)0或者連續(xù)1的最大長(zhǎng)度是5；8B/10B編碼他有良好的DC平衡能力和位同步恢復(fù)能力，而64B/66B的這些能力都和擾碼器有關(guān)，或者說他都決定于擾碼所用的表達(dá)式。對(duì)于字同步，8B/10B編碼有他自己的K碼，而64B/66B編碼用的是兩位表示的同步頭。對(duì)于控制碼，8B/10B編碼也是使用K碼，而64B/66B編碼用的是同步頭為10 的控制碼。

6、??結(jié)束語

64B/66B編碼的這種擾碼方式目標(biāo)是使數(shù)據(jù)的“0”和“1”最大程度的隨機(jī)分布，減小連續(xù)出現(xiàn)的情況，因此它可能并不能適用于所有的碼型，不像8B/10B編碼一樣對(duì)所有的bit組合都有出色的表現(xiàn)，具體還要看擾碼器接收器的能力。但是無可否認(rèn)，它最大的好處是效率比較高，傳輸冗余的bit只有2位，開銷大約只有3%，不像8B/10B編碼需要20%的開銷，這方面在更高速的傳輸環(huán)境下更具有優(yōu)勢(shì)。

參考資料：

【1】??????存儲(chǔ)技術(shù)基礎(chǔ)?西安電子科技大學(xué)出版社劉凱 劉博 編著。

【2】??????百度百科64B/66B編碼8B/10B編碼

【3】??????CSDN博客 線路/信道編碼技術(shù)(2)——64B/66B編碼

編輯：黃飛

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