8b10b编解码仿真

一、基本概念

8B/10B编码（8-bit to 10-bit encoding）是一种将8位数据（包括数据字符和控制字符）转换为10位符号（Symbol）的编码技术，由IBM工程师Al Widmer和Peter Franaszek于1983年提出。其核心思想是通过引入冗余位（2位/8位，编码效率80%），实现直流平衡、时钟同步，广泛应用于高速数据传输场景。
直流平衡（DC Balance）的意思是确保传输信号中“0”和“1”的数量尽可能相等，避免直流偏置（DC Offset）导致的信号失真和传输损耗。还有通过冗余位调整符号的“偏置值”（Disparity），使连续传输的符号整体保持0和1的平衡。
还有通过8B/10B编码可以避免长串连续的0或1（如全0或全1），保证接收端能从数据流中提取稳定的时钟信号。

二、编码原理

8B/10B将8位输入分为两部分：
 高5位（5B）：从8位中取高5位，编码为6位符号（5B/6B编码）。
 低3位（3B）：剩余低3位，编码为4位符号（3B/4B编码）。
最终将6位和4位合并为10位符号。
8B/10B编码后的符号分为两种：
(1) 数据符号（D码）： 8bit数据（0x00~0xFF）可映射到10bit符号中的512个，正负各256个。如下图部分符号示例，参考Xilinx的ug196_Virtex-5 FPGA RocketIO GTP Transceiver用户手册。
在这里插入图片描述

(2) 控制符号（K码）：编码特殊控制字符（如K28.5用于帧同步）。如下图示例。
在这里插入图片描述

为什么10bit符号会有正负之分？这里涉及到偏置值概念，也称为运行不一致性（Running Disparity，RD）。
偏置值表示当前符号中“1”与“0”的数量差。
• 若码字有6个1和4个0，偏置值为+2；
• 若码字有4个1和6个0，偏置值为-2；
编码器维护一个全局偏置状态，根据前一个符号的偏置值，选择当前符号的两种可能编码中偏置相反的版本，以保持整体平衡。
例：若前一个符号偏置为+1，当前符号优先选择偏置为-1的编码，使总偏置趋近于0。

三、应用场景

8B/10B编码是高速串行通信的经典方案，常见于：

光纤通道（Fibre Channel）
千兆以太网（Gigabit Ethernet）
PCI Express（PCIe）1.0/2.0
Serial ATA（SATA）
InfiniBand
USB 3.0（部分变体，如64B/66B为改进版）

四、K码符号

上表中8B/10B编码中的K码有12个，原表中没有列出哪个是高位，哪个是低位，所以这里指示一下高低位。
在这里插入图片描述

K28_0 = 8'h1C; // (10b-)10'h0BC, (10b+)10'h343
K28_1 = 8'h3C; // (10b-)10'h27C, (10b+)10'h183
K28_2 = 8'h5C; // (10b-)10'h2BC, (10b+)10'h143
K28_3 = 8'h7C; // (10b-)10'h33C, (10b+)10'h0C3
K28_4 = 8'h9C; // (10b-)10'h13C, (10b+)10'h2C3
K28_5 = 8'hBC; // (10b-)10'h17C, (10b+)10'h283
K28_6 = 8'hDC; // (10b-)10'h1BC, (10b+)10'h243
K28_7 = 8'hFC; // (10b-)10'h07C, (10b+)10'h383
K23_7 = 8'hF7; // (10b-)10'h057, (10b+)10'h3A8
K27_7 = 8'hFB; // (10b-)10'h05B, (10b+)10'h3A4
K29_7 = 8'hFD; // (10b-)10'h05D, (10b+)10'h3A2
K30_7 = 8'hFE; // (10b-)10'h05E, (10b+)10'h3A1

K码所对应的8bit数据只有配置K码指示信号时才按K码编码，否则没有K码指示信号则只是普通D码数据。

五、8B/10B编解码仿真

仿真工程可以去如下地址下载https://download.csdn.net/download/cjie221/90714799
仿真框图如下，用计数器产生0~255的数据，用k_valid为1来指示K码数据。经encoder_8B10B测试单元编码生成10bit符号，再经decoder_8B10B测试单元解码恢复原始8bit数据和k_out指示信号。
在这里插入图片描述
仿真波形如下，encoder_8B10B和decoder_8B10B模块数据输出都比输入数据延时2拍。