8b/10b кодирование

8b/10b — это линейное кодирование, отображающее 8-битные слова в 10-битные символы, чтобы получить баланс по постоянному току и ограниченную разбалансировку и, в то же время, обеспечить достаточное количество изменений состояния для надёжного восстановления тактового сигнала. Это означает, что разница между числом единиц и нулей в строке по меньшей мере 20 бит не превосходит двух и не имеется более пяти единиц или нулей подряд. Это помогает снизить требования к нижней границе полосы пропускания канала, необходимой для передачи сигнала^[1].

Кодировка 8b/10b может быть реализована различными путями с акцентом на разные параметры производительности. Одну из реализаций разработал К. Одака для DAT цифрового аудиомагнитофона^[2]. Кеес Схаухамер Имминк разработал 8b/10b кодировку для DCC аудиомагнитофона^[3]. Реализация IBM была описана в 1983 году Элом Видмером и Питером Франашеком^[4][5].

Как следует из названия схемы, восемь бит данных передаются как 10-битную единицу, называемую символом. Младшие пять бит данных кодируются в 6-битную группу (5b/6b порция), а старшие три бита кодируются в 4-битную группу (3b/4b порция). Эти кодовые группы объединяются вместе с образованием 10-битного символа, который передаётся по линии. Символы данных часто обозначаются как D.x.y, где x принимает значения 0–31, а y принимает значения 0–7. Стандарты, использующие кодировку 8b/10b, определяют также до 12 специальных символов (или управляющих символов), которые могут быть посланы вместо символов данных. Они часто используются для обозначения начала кадра, конца кадра, состояния простоя канала, пропуска и других подобных условий на канальном уровне. По крайней мере один из них (например, символ «запятая») необходим для определения выравнивания десятибитных символов. Они обозначаются как K.x.y и имеют кодировки, отличные от любых других символов D.x.y.

Поскольку 8b/10b кодировка использует 10-битные символы для кодировки 8-битных слов, некоторые из возможных 1024 (10 бит, 2¹⁰) символов могут быть исключены для гарантирования предела в 5 одинаковых последовательных бит и обеспечить разницу числа нулей и единиц не более двух. Некоторые из 256 возможных 8-битных слов могут быть закодированы двумя различными способами. Используя эти альтернативные кодировки схема способна достичь долговременного баланса по постоянному току в потоке последовательных данных. Это позволяет передавать поток данных через канал с высокочастотной характеристикой, например, через неэкранированную витую пару Ethernet-а с трансформаторной связью или через оптические приёмники с автоматической регулировкой усиления.

Заметьте, что в следующих таблицах для каждого входного байта (представленного как HGF EDCBA), A означает младший значащий разряд (МЗР), а H означает старший значащий разряд (СЗР). Выходные данные содержат два дополнительных бита i и j. Биты посылаются в последовательности от младших (МЗР) к старшим (СЗР): a, b, c, d, e, i, f, g, h, j. То есть, сначала 5b/6b код, за ним следует 3b/4b код. Это обеспечивает уникальность специальной битовой последовательности в символах запятой.

Остаточное влияние на поток количества переданных нулевых и единичных битов поддерживается как накопленный дисбаланс, а нарастание дисбаланса компенсируется выбором кодирования последующих символов.

5b/6b код является попарно-сбалансированным кодом, и таким же является 3b/4b код. Каждое 6- или 4-битное слово имеет либо равное число нулей и единиц (разбалансировка равна нулю), либо имеет пару, в которой одно слово имеет на два нуля больше, чем другое (четыре нуля и две единицы или три нуля и одну единицу), а второе слово − наоборот. Когда употребляется 6- или 4-битное слово, которое имеет ненулевой дисбаланс (число единиц минус число нулей, то есть, −2 или +2), выбор кодировок с положительным или отрицательным дисбалансом должен быть таким, чтобы изменить накопленный дисбаланс. Другими словами, коды с ненулевым дисбалансом чередуются.

8b/10b кодирование является кодом без постоянной составляющей, что означает, что передаваемое долгосрочное количество единиц и нулей составляет ровно по 50%. Для достижения этого разница между количеством переданных единиц и нулей всегда ограничена ±2, и в конце каждого символа она равна либо +1 либо −1. Эта разность известна как текущий дисбаланс (англ. running disparity, RD).

Эта схема требует всего двух состояний для накопленного дисбаланса — +1 или −1. Она начинается с −1^[6].

Для каждого 5b/6b и 3b/4b кода с неравным числом единиц и нулей имеется два битовых выбора для передачи — в одном на две больше единиц, а другой содержит инвертированные биты, а потому на два больше нулей. В зависимости от текущего дисбаланса сигнала кодирующий механизм выбирает одну из двух возможностей шести- или четырёхбитной последовательности для отправки заданных данных. Очевидно, что при равенстве нулей и единиц выбора нет, поскольку дисбаланс не изменится, за исключением блоков D.07 (00111) и D.x.3 (011). В обоих случаях дисбаланс не изменится, но если RD положительный, то при обнаружении D.07 используется 000111, а если отрицательный, используется 111000. Аналогично, если встретился D.x.3 и RD положителен, используется 0011, а если отрицателен, используется1100. Это точно отражено в приведённых ниже таблицах, но стоит упомянуть дополнительно, поскольку это единственные два подблока с равным количеством единиц и нулей, каждый из которых имеет два возможных кодирования.

† используется также для 5b/6b кода K.x.7

‡ исключительно используется для 5b/6b кода K.28.y

† Для D.x.7 должно быть выбрано либо основное кодирование (D.x.P7), либо альтернативное (D.x.A7), чтобы избежать пяти нулей или единиц подряд, когда оно комбинируется с предыдущим 5b/6b кодом.
Последовательности из пяти идентичных бит используются в символах запятой для целей синхронизации.
D.x.A7 используется только

• если RD = −1: для x = 17, 18 и 20
• если RD = +1: для x = 11, 13 и 14.

С x = 23, x = 27, x = 29 и x = 30 3b/4b часть кода, используемая для управляющих символов K.x.7, совпадает с частью для D.x.A7.
Любой другой код D.x.A7 не может быть использован, поскольку это приведёт к возможному неправильному выравниванию запятых.

‡ Только K.28.1, K.28.5 и K.28.7 генерируют символы запятых, которые содержат последовательности из пяти 0 или 1.
Символ имеет формат 110000 01xx или 001111 10xx.

Управляющие символы в кодировке 8b/10b представляют собой 10-битные символы, которые являются допустимыми комбинациями битов (не более шести единиц и нулей), но не соответствуют 8-битному байту данных. Они применяются для низкоуровневых управляющих функций. Например, в оптоволоконном канале K28.5 используется в начале четырёхбайтных последовательностей (называемых «упорядоченными наборами»), которые выполняют такие функции, как управляемая петля, Fill Words, Link Resets и т.д.

Исходя из таблиц 5b/6b и 3b/4b разрешено отправлять следующие 12 управляющих символов:

† Среди управляющих символов символы K.28.1, K.28.5 и K.28.7 являются «запятыми». Символы-запятые используются для синхронизации (определения выравнивания 8b/10b кодов в потоке битов). Если K.28.7 не используется, уникальные последовательности запятых 00111110 или 11000001 не могут случайно появиться в любой битовой позиции в любой комбинации обычных кодов.

‡ Если K.28.7 допускается при фактическом кодировании, необходимо использовать более сложное определение шаблона синхронизации, чем предложено в †, поскольку комбинация K.28.7 с несколькими другими кодами образует ложный символ запятой со смещением, перекрывающий оба кода. Последовательность из нескольких кодов K.28.7 недопустима ни в каком случае, так как это приведёт к необнаруживаемым символам запятой со смещением.

K.28.7 является единственным символом запятой, который не может возникнуть в результате однократной ошибки бита в потоке данных.

После истечения срока действия вышеупомянутого патента IBM эта схема стала еще более популярной и была выбрана в качестве кода линии без постоянной составляющей для нескольких коммуникационных технологий.

Среди областей, в которых находит применение кодирование 8b/10b, следующие:

Стандарт FC-0 определяет, какая схема кодирования в системе волоконно-оптического канала (8b/10b или 64b/66b)^[8] Более скоростные варианты обычно используют 64b/66b для оптимизации эффективности использования полосы пропускания, поскольку накладные расходы составляют 20% в 8b/10b по сравнению с 3% (~ 2/66) в системах 64b/66b). Таким образом, кодирование 8b/10b используется для вариантов 4GFC и 8GFC, а для вариантов 10GFC и 16GFC — 64b/66b^[9]. Канальный уровень данных FC1 отвечает за реализацию кодирования и декодирования сигналов 8b/10b.

Схема кодирования 8b/10b волоконного канала используется также в других телекоммуникационных системах. Данные расширяются с помощью алгоритма, который для каждого входного 8-битного значения генерирует одно из двух возможных 10-битных выходных значений. Каждое 8-битное входное значение может соответствовать либо 10-битному выходному значению с нечётной дисбалансом, либо с чётным. Такое сопоставление обычно происходит в момент преобразования параллельных входных данных в последовательный выходной поток для передачи по стекловолоконному каналу. Выбор нечётного или чётного дисбаланса осуществляется таким образом, чтобы поддерживался долгосрочный нулевой дисбаланс между единицами и нулями. Это часто называют «DC-балансировкой» (балансировкой по постоянному току).

Схема преобразования 8-битных значений в 10-битные использует только 512 из возможных 1024 выходных значений. Из оставшихся 512 выходных значений большинство содержат слишком много единиц или слишком много нулей, а потому не разрешены. Это по-прежнему оставляет достаточно свободных 10-битных пар кодирования «нечётное+чётное» для размещения как минимум 12 специальных (не являющихся данными) символов.

Коды, представляющие 256 значений данных, называются кодами данных (D). Коды, представляющие 12 специальных символов, называются управляющими (K) кодами.

Все коды могут быть описаны путём указания трёх восьмеричных цифр. Это делается с использованием соглашения об именовании "Dxx.x" или "Kxx.x. Обратите внимание, что таблицы в предыдущих разделах используют десятичные, а не восьмеричные значения для Dxx.x или Kxx.x).

Пример:

Входные биты данных: ABCDEFGH

Данные делятся: ABC DEFGH

Данные переставляются: DEFGH ABC

Теперь эти биты конвертируются в десятичное число их группировкой.

Входные данные

C3 (HEX) = 11000011
         = 110 00011
         = 00011 110
         =   3    6

E 8B/10B = D03.6

Схемы кодирования 8b/10b нашли широкое применение в приложениях для хранения цифрового аудио, а именно:

• Digital Audio Tape, US Patent 4,456,905, Июнь 1984 К. Одака.
• Digital Compact Cassette (DCC), US Patent 4,620,311, Октябрь 1986 Кеес Схаухамер Имминк.

Для аудио-CD и CD-ROM используется отличающаяся, но связанная схема:

• EFM-модуляция

Заметим, что 8b/10b является схемой кодирования, а не конкретным кодом. Хотя многие приложения используют один и тот же код, существуют некоторые несовместимые реализации. Например, TMDS, который также расширяет 8 бит до 10 бит, но использует совершенно другой метод^[10].

64b/66b кодирование, впервые применённое в интерфейсах физического уровня стандарта 10-гигабитного Ethernet 10GBASE-R представляет собой более эффективную альтернативу кодированию 8b/10b с меньшими накладными расходами. Оно добавляет всего два бита служебной информации на каждые 64 бита закодированных данных, в отличие от восьми бит в 8b/10b. Эта схема значительно отличается по своей структуре от 8b/10b и не гарантирует явным образом постоянство постоянной составляющей, короткую длину серий и плотность переходов (эти характеристики достигаются статистически за счёт скремблирования). Кодирование 64b/66b было расширено до вариантов 128b/130b и 128b/132b для PCI Express 3.0 и USB 3.1 соответственно, заменив кодирование 8b/10b в предыдущих версиях этих стандартов^[11].

• Definition of 8b/10b encoding . Дата обращения: 2 сентября 2014. Архивировано из оригинала 8 июня 2014 года.