64B/66B编码技术

 任成风

2018年5月18日星期五

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摘要：64B/66B编码技术是IEEE 802.3工作组为10G以太网提出的，目的是减少编码开销，降低硬件的复杂性，并作为8B/10B编码的另一种选择，以支持新的程序和数据。在本篇文章中，我将从它的提出背景、编码格式、编码原理、和8B/10B比较它的优缺点等方面和大家分享一下，在学习过程中有关64B/66B编码的心得笔记。

 

关键字：8B/10B，64B/66B，编码，扰码

 

1、  引言

①  经过之前的学习，我们知道，8b/10b编码最初由IBM公司于1983年发明，并应用于ESCON(200M互连系统）的一种编码方式。8B/10B编码不只应用于光纤通道，目前在许多高速串行总线。

 

我们知道的8b/10b编码的特性之一是保证DC 平衡。

采用8b/10b编码方式，可使得发送的“0”、“1”数量保持基本一致，连续的“1”或“0”不超过5位，即每5个连续的“1”或“0”后必须插入一位“0”或“1”，从而保证信号DC平衡，也就是说，在链路超时时不致发生DC失调。

通过8b/10b编码，可以保证传输的数据串在接收端能够被正确复原，除此之外，利用一些特殊的代码( 在PCI-Express总线中为K码) ，可以帮助接收端进行还原的工作，并且可以在早期发现数据位的传输错误，抑制错误继续发生。

然而，将原本8位的字节用10位来表示，会使8B/10B编码的开销太大，带宽利用率并不高。

于是，就有了一系列的优化编码方式，其中64B/66B就是其中的一种。

 

②  64B/66B编码技术是IEEE802.3工作组为10G以太网提出的，目的是减少编码开销，降低硬件的复杂性，并作为8B/10B编码的另一种选择，以支持新的程序和数据。它并不是真正的编码，而是一种基于扰码机制编解码方式，这种编码方式，是IEEE推荐的10G通信的标准编码方式。

当前，64B/66B编码主要应用于FiberChannel 10GFC和16GFC、10G以太网、100G以太网、10G EPON、InfiniBand、Thunderbolt和Xilinx的Aurora协议。

 

2、  64B/66B编码技术

64B/66B编码将64bit“数据或控制信息”编码成66bit块来进行传输，这66bit中，前两位表示同步头（2bit Sync Header），主要用于接收端的数据对齐和接收数据位流的同步。

00      编码错误

01      64 bit = 纯数据

10      64 bit = 混合的数据/控制信息

11      编码错误

也就是说，在没有发生错误的情况下，每66位的数据，就会出现至少一个“01”或者“10”的转换。

 

同步头有“01”和“10”两种:

“01“表示后面的64bit都是数据。

“10”表示后面的64bit是数据和控制信息的混合，其中紧挨着同步头的8b是类型域，后面的56bit是控制信息或者数据或者两者的混合。

 

①  对于纯数据Pure data

同步头：01，后面的信息：8*8=64bit数据

 

②  对对于纯控制Pure Control (Type = 0x1E)

同步头：10，后面的信息：8bit类型表示+7*8控制信息

 

③  对于数据和控制信息的混合

           同步头：10，后面的信息：数据信息和控制信息的混合。

 

64B/66B编码格式图如下图所示：

其中，D表示数据编码，每个数据码8bit；Z表示控制码，每个控制码7bit；S表示包的开始，T表示包的结束。S只会出现在8字节中的第0和第4字节，T能够出现在任意的字节。

 

下面我们一起来看一个简单的例子，这个例子将帮助我们更好地理解数据帧和控制帧。

 

一个18 bytes的数据块的传输过程如下图所示：

这过程是怎么样的呢？我们一起来看一下，从图中我们可以直观的看到，在数据的传输过程中，我们需要用到两个控制帧，一个是开始部分的控制帧，用来告诉接收方这是某一个数据块的开始，还要有的是一个用来表示结束的控制帧，告诉接收方该数据块到此结束。

从图中我们可以知道，在开始和结束的控制帧之外，为纯数帧，一个纯数据帧，他能表示64bit的数据。不管是数据帧还是控制帧，每隔64bit，就会插入一个01或者10序列来分隔，我们还知道，他的DC平衡并不是由这两位01.10来完成的，相对于64bit这么大的数据块，10和01的平衡能力微乎其微，在学习的过程中，我们知道他用到的是扰码技术，这是我们下一个模块要讲述的内容。

 

 

3、  扰码传输技术

上面我们提到，除同步码外，64bit的数据必须经过扰码以后才能进行传输，在引言部分我们说过，64B/66B并不是真正的编码，而是一种基于扰码机制编解码方式。

我们知道8B/10B编码通过优化直流平衡，从8bit中插2个bit进去，这样能够使长0或者长1的位数不超过5位，达到很好的效果。那64B/66B编码方式呢？在从64个bit中仅加入2个bit，能够很好的解决长0长1的问题吗？作用似乎只是杯水车薪，2个bit相对于64个bit太少了。

当然，如果仅靠这2个bit来实现8B/10B的作用显然不太现实。其实上，这两个bit只是起一个同步头的作用，主要用于接收端的数据对齐和接收数据位流的同步。

那按照上面说的，新加的2个bit只是作为同步，那后面的数据可以如何优化呢？这里有一项区别于8B/10B编码的技术——扰码。

为此，我又去查资料看了一下，有关扰码的相关知识。

 

通过查资料我知道，扰一种将数据重新排列或者进行编码以使其最优化的方法，他的作用是对数字信号的比特级进行随机处理，减少连0和连1的出现，从而减少码间干扰和抖动，方便接收端的时钟提取；同时又扩展了基带信号频谱，起到加密的效果。

 

为了保证在任何情况下进入传输信道的数据码流中“0”与“1”的概率都能基本相等，传输系统会用一个伪随机序列对输入的传送码流进行扰乱处理，将二进制数字信息做“随机化”处理，变为伪随机序列，也能限制连“0”码或连“1”码的长度，这种“随机化”处理通常称为“扰码”。

 

扰乱虽然改变了原始传送码流，但这种扰乱是有规律的，因而也是可以解除的，在接收端解除这种扰乱的过程称为解扰。完成扰码和解扰的电路相应称为扰码器和解扰器。

 

64B/66B自同步扰码实现随机化，编码所使用的扰码器为: X⁵⁸+X³⁹+1

扰码的数学原理使用了多项式，多项式的选择通常是基于扰码的特性，包括生成数据的随机度，以及打乱连0和连1的能力。一个简单的扰码器包含一组排列好的触发器，用于移位数据流。大部分的触发器只需要简单地输出下一个比特流即可，但是在复杂的扰码电路中，触发器需要与数据流中的历史比特进行逻辑运算（与和或运算）。基本的扰码电路如下所示：

第39和第58位的异或运算，然后通过移位寄存器输出的码型结果。这是一个需要大量计算的过程，但对于我们的计算机来说，仅仅是异或和移位的操作是比较简单的，他可以很快就完成。

他的计算原理，我们通过一个简单的表达式的例子来讲解：X³+X²+1。

 

首先我们有一个初始状态“111”。我们就有了下面这么一个计算过程（画得不好，大家看内容就好）。简单说明一下，红色为异或运算过程，蓝色为每次移位后的bit，绿色为输出的数据bit，紫色说明绕一圈之后又回到了原先，循环了一次。

具体的计算过程，如下图，我们一起来看一下图。

这是一个初始一直是111的例子，也就是说，我们的输入一直都是111.观察最终的输出结果我们可以看出，他得到了0，不再是全是1。

 

4、  编码过程

 

关于编码过程，我们先一起来看一个图：

 

图中的CGMII是物理编码子层，output of  encoder function为编码器的输出结果，outputof scrambler function为扰码器的输出结果，transmit block为传输块，Gearbox为变速箱。

我们一起来看一下这个过程，我们一些数据块要传输，假设说从物理编码子层传来的这两个块每个是32bit，加在一起才有64bit，经过encoder编码器进行编码，得到编码后的数据D0-D7，生成同步头01或者10，然后不含同步头的D0-D7，经过扰码器，得到表达式X⁵⁸+X³⁹+1扰码后的数据S0-S7。

在之后，将同步头和扰码后的数据S0-S7合并，生成一个传输块，将这个传输块经过GearBox处理后，完成编码。

 

5、  8B/10B、64B/66B简单比较

 

这里，我们一起来看一个比较的图：

 

在图中，我们分别从他们之中的连续的0和连续的1的个数、DC平衡能力、位同步时钟恢复能力，字同步能力控制块等方面进行了比较。

经过对比分析我们可以得知，8B/10B编码的连续0或者连续1的最大长度是5；8B/10B编码他有良好的DC平衡能力和位同步恢复能力，而64B/66B的这些能力都和扰码器有关，或者说他都决定于扰码所用的表达式。对于字同步，8B/10B编码有他自己的K码，而64B/66B编码用的是两位表示的同步头。对于控制码，8B/10B编码也是使用K码，而64B/66B编码用的是同步头为10 的控制码。

 

6、  结束语

64B/66B编码的这种扰码方式目标是使数据的“0”和“1”最大程度的随机分布，减小连续出现的情况，因此它可能并不能适用于所有的码型，不像8B/10B编码一样对所有的bit组合都有出色的表现，具体还要看扰码器接收器的能力。但是无可否认，它最大的好处是效率比较高，传输冗余的bit只有2位，开销大约只有3%，不像8B/10B编码需要20%的开销，这方面在更高速的传输环境下更具有优势。

 

参考资料：

【1】      存储技术基础 西安电子科技大学出版社刘凯 刘博 编著。

【2】      百度百科64B/66B编码8B/10B编码

【3】      CSDN博客 线路/信道编码技术(2)——64B/66B编码

https://blog.csdn.net/hit_wzj/article/details/50405060

【4】      一搏科技高速信号编码之64B/66B

http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/Show.aspx?id=1158