【通信领域】8b/10b 编码与解码原理及其 Verilog 实现

FPGA2024-06-19 18:30

8b/10b 编码与解码原理及其 Verilog 实现

引言

在高速数据传输中，信号的稳定性和数据的完整性至关重要。8b/10b 编码是一种常用的编码方案，通过将 8 位数据编码为 10 位码字来平衡数据传输中的直流偏置，并实现数据传输的同步性。本文将详细介绍 8b/10b 编码的原理、K28.5 对齐码的含义及其作用，并展示如何使用 Verilog 实现一个完整的编码模块和解码模块，以及相应的测试平台（testbench）。

1. 8b/10b 编码原理

8b/10b 编码由 IBM 的 Albert Widmer 和 Peter Franaszek 于 1983 年提出，主要应用于高速通信接口如光纤通道和 PCI Express。其主要特点包括：

  • DC 平衡：通过将 8 位数据编码为 10 位码字，确保传输数据中逻辑 1 和逻辑 0 的数量大致相等，从而避免直流偏置。
  • 差分编码：提供更可靠的差分信号传输，通过改变数据位中 1 的个数和位置，帮助接收端恢复时钟信号。
  • 帧同步：通过特定的对齐码实现数据帧的同步和检测。

2. K28.5 对齐码

K28.5 对齐码是 8b/10b 编码中的一个特殊码字，用于帧同步和误码检测。其具体表示为 10 位码字 0011111010。在 8b/10b 编码中，K28.5 对齐码由三个部分组成："K"、"28"和".5"，它们分别表示以下含义：

  1. K：表示该码字是一个控制字符（Control Character）。在 8b/10b 编码中，除了用于传输实际数据的字符（Data Character）外，还有用于控制和同步的特殊字符，这些特殊字符通常以 "K" 开头。

  2. 28：表示该码字在 5 位组中的位模式。在 8b/10b 编码中，每个 10 位码字可以分为两个部分：前 5 位和后 3 位（或 4 位）。其中，前 5 位由 3 位的控制字符和 2 位的编码字符组成。"28" 表示该码字前 5 位的编码模式。

  3. .5：表示该码字的后 3 位（或 4 位）的特定位模式。".5" 表示该码字在特定条件下用于帧同步。

K28.5 对齐码在 8b/10b 编码中的主要作用包括：

  1. 帧同步：在数据传输过程中，接收端可以通过检测 K28.5 对齐码来确定数据帧的边界，从而实现帧同步。接收器在长时间未检测到 K28.5 码时，可以重置并重新同步数据帧。

  2. 误码检测：由于 K28.5 码字具有特定的模式和特征，可以用于检测传输过程中出现的某些错误。如果接收器在预期位置未检测到 K28.5 码字，可能表明数据传输中存在错误。

3. Verilog 实现 8b/10b 编码模块

以下是一个实现 8b/10b 编码的 Verilog 代码示例，展示了如何处理 K28.5 对齐码：

verilog 复制代码 
module encoder_8b10b(
    input wire clk,                // 时钟信号
    input wire reset,              // 复位信号
    input wire [7:0] data_in,      // 输入的8位数据
    input wire [9:0] code_in,      // 输入的10位编码数据
    input wire code_valid,         // 编码数据有效标志
    output reg [9:0] data_out,     // 输出的10位编码数据
    output reg k28_5_flag          // 指示输出是否为K28.5对齐码的标志
);

    // K28.5 对齐码在 8b/10b 编码中的表示
    parameter K28_5 = 10'b0011111010;

    // 内部编码表，用于存储256个10位编码
    reg [9:0] encode_table [0:255];

    // 在时钟上升沿或复位信号有效时加载编码表
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            // 复位时初始化编码表为零
            integer i;
            for (i = 0; i < 256; i = i + 1) begin
                encode_table[i] <= 10'b0;
            end
        end else if (code_valid) begin
            // 当 code_valid 信号有效时，将 code_in 存储到 encode_table 的相应位置
            encode_table[data_in] <= code_in;
        end
    end

    // 在时钟上升沿或复位信号有效时进行编码
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            data_out <= 10'b0;    // 复位时将输出数据清零
            k28_5_flag <= 1'b0;  // 复位时清零 K28.5 标志
        end else begin
            if (data_in == 8'hBC) begin  // 假设 K28.5 的表示值为 8'hBC
                data_out <= K28_5;      // 输出 K28.5 编码
                k28_5_flag <= 1'b1;     // 设置 K28.5 标志为 1
            end else begin
                data_out <= encode_table[data_in];  // 根据 data_in 从 encode_table 中查找相应的10位编码
                k28_5_flag <= 1'b0;                 // 清零 K28_5 标志
            end
        end
    end
endmodule

8b/10b 编码模块设计思路

这个 Verilog 模块实现了 8b/10b 编码，其中使用 K28.5 作为对齐码。编码过程通过内部编码表将输入的 8 位数据转换为 10 位码字，并且可以识别和输出 K28.5 对齐码。

模块接口

  • clk：时钟信号，用于同步模块的操作。
  • reset：复位信号，高电平有效，用于初始化模块状态。
  • data_in：输入的 8 位数据，表示需要编码的原始字节。
  • code_in：输入的 10 位编码数据，用于逐个加载编码表。
  • code_valid：编码数据有效标志，当高电平时表示 code_in 有效并应被加载到编码表中。
  • data_out：输出的 10 位编码数据，表示编码后的结果。
  • k28_5_flag：标志信号，高电平表示当前输出为 K28.5 对齐码。

主要参数

  • K28_5：定义了 K28.5 对齐码在 8b/10b 编码中的表示形式，为 10'b0011111010。

内部编码表

  • encode_table：一个包含 256 个 10 位编码数据的数组，用于存储 8b/10b 编码表。

逻辑实现

  1. 编码表加载逻辑

    • 使用 always @(posedge clk or posedge reset) 块实现编码表的加载和复位。
    • 当 reset 信号有效时，编码表被初始化为零。
    • 当 code_valid 信号有效时，将 code_in 的 10 位编码数据存储到 encode_table 中对应的 data_in 位置。

  2. 编码操作逻辑

    • 使用 always @(posedge clk or posedge reset) 块实现编码操作。
    • 当 reset 信号有效时，输出数据 data_out 和对齐码标志 k28_5_flag 清零。
    • 否则，根据输入数据 data_in 的值进行编码：
      • 如果 data_in 的值为 8'hBC（假设这是 K28.5 对齐码的表示值），则输出 K28_5 对齐码并设置 k28_5_flag 标志。
      • 否则，从编码表 encode_table 中查找相应的 10 位编码并输出，同时清除 k28_5_flag 标志。

设计思路总结

  • 初始化和复位：在复位状态下，编码表和输出数据都被清零，确保系统初始化后处于已知状态。
  • 编码表加载 ：通过 code_valid 信号控制编码表的加载，逐个将编码数据输入到指定位置，使得编码表可以动态更新。
  • 编码操作：根据输入的 8 位数据进行查找和编码，如果识别到对齐码 K28.5，则输出特定编码并设置相应标志。

编码模块 Testbench

以下是用于测试 8b/10b 编码模块的 Verilog testbench：

verilog 复制代码 
`timescale 1ns / 1ps

module tb_encoder_8b10b;
    reg clk;
    reg reset;
    reg [7:0] data_in;
    reg [9:0] code_in;
    reg code_valid;
    wire [9:0] data_out;
    wire k28_5_flag;

    // 实例化编码模块
    encoder_8b10b uut (
        .clk(clk),
        .reset(reset),
        .data_in(data_in),
        .code_in(code_in),
        .code_valid(code_valid),
        .data_out(data_out),
        .k28_5_flag(k28_5_flag)
    );

    // 时钟信号产生
    always #5 clk = ~clk;

    initial begin
        // 初始化信号
        clk = 0;
        reset = 1;
        data_in = 8'b0;
        code_in = 10'b0;
        code_valid = 0;
        
        // 系统复位
        #10;
        reset = 0;

        // 加载编码表
        #10;
        data_in = 8'h01; code_in = 10'b1001110100; code_valid = 1; // 示例编码
        #10;
        data_in = 8'h02; code_in = 10'b0111010100; code_valid = 1; // 示例编码
        #10;
        code_valid = 0;

        // 测试正常编码
        #10;
        data_in = 8'h01;
        #10;
        $display("Data_in: %h, Data_out: %b, k28_5_flag: %b", data_in, data_out, k28_5_flag);

        data_in = 8'h02;
        #10;
        $display("Data_in: %h, Data_out: %b, k28_5_flag: %b", data_in, data_out, k28_5_flag);

        // 测试 K28.5 编码
        data_in = 8'hBC;
        #10;
        $display("Data_in: %h, Data_out: %b, k28_5_flag: %b", data_in, data_out, k28_5_flag);

        // 结束仿真
        #10;
        $stop;
    end
endmodule

4. Verilog 实现 8b/10b 解码模块

以下是一个实现 8b/10b 解码的 Verilog 代码示例，展示了如何处理 K28.5 对齐码：

verilog 复制代码 
module decoder_8b10b(
    input wire clk,                // 时钟信号
    input wire reset,              // 复位信号
    input wire [9:0] data_in,      // 输入的10位编码数据
    input wire [7:0] decode_in,    // 输入的8位解码数据
    input wire decode_valid,       // 解码数据有效标志
    output reg [7:0] data_out,     // 输出的8位解码数据
    output reg k28_5_flag,         // 指示输入是否为K28.5对齐码的标志
    output reg error_flag          // 错误标志
);

    // K28.5 对齐码在 8b/10b 编码中的表示
    parameter K28_5 = 10'b0011111010;

    // 内部解码表，用于存储1024个8位解码
    reg [7:0] decode_table [0:1023];

    // 在时钟上升沿或复位信号有效时加载解码表
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            // 复位时初始化解码表为零
            integer i;
            for (i = 0; i < 1024; i = i + 1) begin
                decode_table[i] <= 8'b0;
            end
        end else if (decode_valid) begin
            // 当 decode_valid 信号有效时，将 decode_in 存储到 decode_table 的相应位置
            decode_table[data_in] <= decode_in;
        end
    end

    // 在时钟上升沿或复位信号有效时进行解码
    always @(posedge clk or posedge reset) begin
        if (reset) begin
            data_out <= 8'b0;    // 复位时将输出数据清零
            k28_5_flag <= 1'b0;  // 复位时清零 K28.5 标志
            error_flag <= 1'b0;  // 复位时清零错误标志
        end else begin
            if (data_in == K28_5) begin  // 如果输入为 K28.5 对齐码
                data_out <= 8'hBC;      // 假设 K28.5 的表示值为 8'hBC
                k28_5_flag <= 1'b1;     // 设置 K28.5 标志为 1
                error_flag <= 1'b0;     // 清零错误标志
            end else if (decode_table[data_in] !== 8'b0) begin
                data_out <= decode_table[data_in];  // 根据 data_in 从 decode_table 中查找相应的8位解码
                k28_5_flag <= 1'b0;                 // 清零 K28.5 标志
                error_flag <= 1'b0;                 // 清零错误标志
            end else begin
                data_out <= 8'b0;        // 如果解码失败，输出清零
                k28_5_flag <= 1'b0;      // 清零 K28.5 标志
                error_flag <= 1'b1;      // 设置错误标志
            end
        end
    end
endmodule

8b/10b 解码模块设计思路

这个 Verilog 模块实现了 8b/10b 解码功能，包括识别和处理 K28.5 对齐码。解码过程通过内部解码表将输入的 10 位编码数据转换为 8 位原始数据，并可以识别和标记 K28.5 对齐码以及错误情况。

模块接口

  • clk：时钟信号，用于同步模块的操作。
  • reset：复位信号，高电平有效，用于初始化模块状态。
  • data_in：输入的 10 位编码数据，表示需要解码的编码字。
  • decode_in：输入的 8 位解码数据，用于逐个加载解码表。
  • decode_valid：解码数据有效标志，当高电平时表示 decode_in 有效并应被加载到解码表中。
  • data_out：输出的 8 位解码数据，表示解码后的结果。
  • k28_5_flag：标志信号，高电平表示当前输入为 K28.5 对齐码。
  • error_flag：错误标志信号，高电平表示当前输入数据未能成功解码。

主要参数

  • K28_5：定义了 K28.5 对齐码在 8b/10b 编码中的表示形式，为 10'b0011111010。

内部解码表

  • decode_table：一个包含 1024 个 8 位解码数据的数组，用于存储 8b/10b 解码表。

逻辑实现

  1. 解码表加载逻辑

    • 使用 always @(posedge clk or posedge reset) 块实现解码表的加载和复位。
    • 当 reset 信号有效时，解码表被初始化为零。
    • 当 decode_valid 信号有效时，将 decode_in 的 8 位解码数据存储到 decode_table 中对应的 data_in 位置。

  2. 解码操作逻辑

    • 使用 always @(posedge clk or posedge reset) 块实现解码操作。
    • 当 reset 信号有效时，输出数据 data_out、对齐码标志 k28_5_flag 和错误标志 error_flag 清零。
    • 否则，根据输入数据 data_in 的值进行解码：
      • 如果 data_in 的值为 K28_5（即 10'b0011111010），则输出假设的 K28.5 表示值 8'hBC，并设置 k28_5_flag 标志，清零 error_flag。
      • 如果 decode_table[data_in] 有效，则输出对应的解码值，并清零 k28_5_flag 和 error_flag。
      • 如果 decode_table[data_in] 无效，则输出清零并设置 error_flag 标志，表示解码失败。

设计思路总结

  • 初始化和复位：在复位状态下，解码表和输出数据都被清零，确保系统初始化后处于已知状态。
  • 解码表加载 ：通过 decode_valid 信号控制解码表的加载，逐个将解码数据输入到指定位置，使得解码表可以动态更新。
  • 解码操作：根据输入的 10 位编码数据进行查找和解码，如果识别到对齐码 K28.5，则输出特定解码值并设置相应标志。

解码模块 Testbench

以下是用于测试 8b/10b 解码模块的 Verilog testbench：

verilog 复制代码 
`timescale 1ns / 1ps

module tb_decoder_8b10b;
    reg clk;
    reg reset;
    reg [9:0] data_in;
    reg [7:0] decode_in;
    reg decode_valid;
    wire [7:0] data_out;
    wire k28_5_flag;
    wire error_flag;

    // 实例化解码模块
    decoder_8b10b uut (
        .clk(clk),
        .reset(reset),
        .data_in(data_in),
        .decode_in(decode_in),
        .decode_valid(decode_valid),
        .data_out(data_out),
        .k28_5_flag(k28_5_flag),
        .error_flag(error_flag)
    );

    // 时钟信号产生
    always #5 clk = ~clk;

    initial begin
        // 初始化信号
        clk = 0;
        reset = 1;
        data_in = 10'b0;
        decode_in = 8'b0;
        decode_valid = 0;
        
        // 系统复位
        #10;
        reset = 0;

        // 加载解码表
        #10;
        data_in = 10'b1001110100; decode_in = 8'h01; decode_valid = 1; // 示例解码
        #10;
        data_in = 10'b0111010100; decode_in = 8'h02; decode_valid = 1; // 示例解码
        #10;
        decode_valid = 0;

        // 测试正常解码
        #10;
        data_in = 10'b1001110100;
        #10;
        $display("Data_in: %b, Data_out: %h, k28_5_flag: %b, error_flag: %b", data_in, data_out, k28_5_flag, error_flag);

        data_in = 10'b0111010100;
        #10;
        $display("Data_in: %b, Data_out: %h, k28_5_flag: %b, error_flag: %b", data_in, data_out, k28_5_flag, error_flag);

        // 测试 K28.5 解码
        data_in = 10'b0011111010; // K28.5 编码
        #10;
        $display("Data_in: %b, Data_out: %h, k28_5_flag: %b, error_flag: %b", data_in, data_out, k28_5_flag, error_flag);

        // 测试错误情况
        data_in = 10'b1111111111; // 无效编码
        #10;
        $display("Data_in: %b, Data_out: %h, k28_5_flag: %b, error_flag: %b", data_in, data_out, k28_5_flag, error_flag);

        // 结束仿真
        #10;
        $stop;
    end
endmodule

5. 说明

  1. 编码模块：

    • 初始化信号和时钟。
    • 通过 code_valid 信号逐字节加载编码表。
    • 测试普通编码和 K28.5 编码。
    • 通过 $display 打印测试结果。

  2. 解码模块：

    • 初始化信号和时钟。
    • 通过 decode_valid 信号逐字节加载解码表。
    • 测试普通解码和 K28.5 解码。
    • 测试错误情况。
    • 通过 $display 打印测试结果。

这两个 testbench 提供了一个完整的测试环境，用于验证编码和解码模块的正确性。

6. 总结

本文介绍了 8b/10b 编码的原理及其在高速数据传输中的重要性。K28.5 对齐码作为其中的关键元素，不仅实现了帧同步功能，还提升了数据传输的可靠性。通过 Verilog 实现的编码模块和解码模块，以及相应的测试平台（testbench），展示了如何在硬件描述语言中实现和测试这一编码方案。

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