USB3．0中8b／10b編解碼器的設計

摘要：為了在USB 3．0中實(shí)現數據的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(yǔ)言實(shí)現了算法的描述，并通過(guò)了Modelsim仿真，然后在FPGA上實(shí)現了具體的硬件電路。采用500 MHz的時(shí)鐘信號，經(jīng)過(guò)測驗滿(mǎn)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)現了8 b／10 b編解碼器，并且滿(mǎn)足USB 3．0高速數據傳輸的要求。
關(guān)鍵詞：USB 3．0；8 b／10 b編解碼；RTL設計；仿真驗證

0 引言
8 b／10 b是目前許多高速串行總線(xiàn)采用的編碼機制，如USB 3．0，1394b，Serial ATA，PCI Express，Infini-band，Fiber Channel，RapidIO等總線(xiàn)或網(wǎng)絡(luò )。8 b／10 b編碼方式最初由IBM公司于1983年發(fā)明并應用于ESCON(200M互連系統)，發(fā)表Al Widmet和Peter Franaszek IBM刊物的“研究與開(kāi)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(diǎn)：采用嵌入式時(shí)鐘，可保持DC平衡；能夠更加有效地檢測錯誤；隔離數據碼元和控制碼元。

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)送端先對數據或者控制字(K)加擾，然后把加擾后的8 b數據編碼成10b發(fā)送出去；接收端先把接收到的10b數據進(jìn)行解碼得到8 b數據，然后再解擾得到原始數據。
8 b／10 b編碼包含對256個(gè)數據字符和12個(gè)控制字符的編碼。數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(jìn)制數值；y表示與8 b的高3位(HGF)對應的十進(jìn)制數值。發(fā)送端在編碼時(shí)，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(shí)先進(jìn)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(gè)碼字中“1”數目與“0”的數目差。“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)。而運行不一致RD(Running Disparity)是一個(gè)二進(jìn)制參數，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(guò)程中，通過(guò)對RD值正負的判斷來(lái)選擇對應碼表，如果當前RD為負(RD-)，編碼器會(huì )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?，在disp為正或者負時(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，減小差分信號的直流分量。