串行總線的8b/10b編碼

為了提高串行數據傳輸的可靠性，現在很多更高速率的數字接口采用的是對數據進行編碼后再做并串轉換的方式。編碼的方式有很多，如8b/9b編碼、8b/10b編碼、64b/66b編碼、128b/130b編碼等，下面我們以最流行的ANSI 8b/10b編碼為例進行一下介紹。

在ANSI 8b/10b編碼方式中，8比特的數據先通過相應的編碼規則轉換成10比特的數據，然后再進行并串轉換；接收端收到信號后先把串行數據進行串并轉換得到10比特的數據，然后再通過10比特到8比特的解碼得到原始傳輸的8比特數據。因此，如果發送端并行側的數據速率是8bit*100Mb/s，通過8b/10b編碼和并串轉換后的串行側的數據速率就是1bit*1Gb/s。8b/10b編碼方法最早由IBM發明，后來成為ANSI標準的一部分（ANSI X3.230-1994, clause 11），并在通信和計算機總線上廣泛應用。

數據經過8b/10b編碼后有幾個最大的好處：

有足夠多的跳變沿，可以從數據里進行時鐘恢復。正常傳輸的數據里可能會有比較長的連續的0或者連續的1，而進行完8b/10b編碼后，其編碼規則保證了編碼后的數據流里不會出現超過5個的連續的0或1，信號里會出現足夠多的跳變沿，因此可以采樣嵌入式的時鐘方式，即接收端可以從數據流里用PLL電路直接恢復時鐘，不需要專門的時鐘傳輸通道。

直流平衡，可以采用AC耦合方式。經過編碼后數據里不會出現連續的0或者1了，但是還是有可能在某個時間段內0或者1的數量偏多一些。從上面的編碼表中我們可以看到同一個Byte對應有正、負兩組10bit的編碼，一個編碼里1的數量多一些，另一個編碼里0的數量多一些。數據在對當前的Byte進行8b/10b編碼傳輸時，會根據前面歷史傳輸的數據中正負bit的數量來選擇使用哪一組編碼，從而可以保證總線上正負bit的數量在任何時刻基本都是平衡的，也就是直流點不會發生大的變化。直流點平衡以后，在信號傳輸的路徑上我們就可以采用AC耦合方式（最常用的方法是在發送端或接收端串接隔直電容），這樣信號對于收發端的地電平變化和共模噪聲的抵抗能力進一步增強，可以傳輸更遠的距離。采用AC耦合方式的另一個好處是收發端在做互連時不用太考慮直流偏置點的互相影響，互連變得非常簡單，對于熱插拔的支持能力也更好。

有利于信號校驗。很多高速信號在做傳輸時為了保證傳輸的可靠性要對接收到的信號進行檢查以確認收到的信號是否正確。在8b/10bit編碼表里，原始的8bit數據總共有256個組合，即使考慮到每個Byte有正負兩個10bit編碼也只需要用到512個10bit的組合。而10bit的數據總共可以有1024個組合，因此有大約一半的10bit組合是無效的數據，接收端一旦收到這樣的無效組合就可以判決數據無效。另外，前面我們介紹過數據在傳輸過程中是要保證直流平衡的，一旦接收端收到的數據中發現違反直流平衡的規則，也可以判決數據無效。因此采用8b/10b編碼以后數據本身就可以提供一定的信號校驗功能。不過需要注意的是，這種校驗不是足夠可靠，因為理論上還是可能存在有幾個bit在傳輸中發生了錯誤但是結果仍然符合8b/10b編碼和規則和直流平衡原則。因此，很多使用8b/10b編碼的總線都還會在上層協議上再做相應的CRC校驗（循環冗余校驗）。

可以插入控制字符。在10bit數據可以表示的1024個組合中，除了512個組合用于對應原始的8bit數據以及一些不太好的組合（比如0b1100000000這樣信號里有太長的連續0或者1而且明顯0、1的數量不平衡）以外，還有一些很特殊的組合。這些特殊的組合可以用來在數據傳輸過程中做為控制字符插入。這些控制字符不對應特定的8bit數據，但是在有些總線應用里可以代表一些特殊的含義。比如K28.5碼型，其特殊的碼型組合可以幫助接收端更容易判別接收到的連續的10bit數據流的符號邊界，所以在一些總線的初始化階段或數據包的包頭都會進行發送。還有一些特殊的符號用于進行鏈路訓練、標記不同的數據包類型、進行收發端的時鐘速率匹配等。

綜上所述，要把并行的信號通過串行總線傳輸，一般需要對數據進行并串轉換。為了進一步減少傳輸線的數量和提高傳輸距離，很多高速數據總線采用嵌入式時鐘和8b/10b的數據編碼方式。8b/10b編碼由于直流平衡、支持AC耦合、可嵌入時鐘信息、抗共模干擾能力強、編解碼結構相對簡單等優點，在很多高速的數字總線如FiberChannel、PCI-E、SATA、USB3.0、DisplayPort、XAUI、RapidIO等接口上得到廣泛應用。