基于FPGA的8B10B編解碼設計

摘要：為提高8B／10B編解碼的工作速度和簡化邏輯方法，提出一種基于FPGA的8B／10B編解碼系統(tǒng)設計方案。與現(xiàn)有的8B／10B編解碼方案相比，該方案是一種利用FPGA實現(xiàn)8B／lOB編解碼的模塊方法，接收模塊在收到外部發(fā)送的并行數(shù)據(jù)時，通過直接查找映射的方法轉(zhuǎn)換成利于傳輸?shù)拇行盘?。串行信號?jīng)串并行轉(zhuǎn)換模塊，將數(shù)據(jù)經(jīng)10B／8B解碼模塊解碼還原成原始數(shù)據(jù)。為了更好實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，系統(tǒng)加入了極性偏差RD控制。結(jié)果表明，該8B／10B編解碼系統(tǒng)設計方案傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，滿足設計要求。
關(guān)鍵詞：串行數(shù)據(jù)傳輸；8B／lOB編解碼；極性偏差(RD)；VHDL

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，在復雜的電磁環(huán)境下正確傳輸數(shù)據(jù)受到人們的關(guān)注，因此性能優(yōu)異的光纖通訊越來越受到青睞，而誤碼率要滿足設計需求，關(guān)鍵在于串行傳輸數(shù)據(jù)所選用的編碼方法。
8B／10B編解碼技術(shù)是主流傳輸標準的編解碼技術(shù)之一，廣泛應用于高速串行標準中，例如光纖通道1、PCI-Express、串行ATA、1394b等。8B／10B編解碼技術(shù)設定傳輸數(shù)據(jù)流擁有連續(xù)“l(fā)”或連續(xù)“0”不能超過5個，保證傳輸?shù)闹绷鞒煞纸咏?，基線漂移減至最小，避免因接收端時鐘漂移或同步丟失而引起數(shù)據(jù)丟失。8B／10B編碼方法具有DC補償功能，能夠保證鏈路中不隨著時間推移而出現(xiàn)DC偏移。這使得信號的轉(zhuǎn)換不會因電壓位階的關(guān)系造成信號錯誤。8B／10B編碼采用冗余方式，將8位的數(shù)據(jù)和一些特殊字符按照特定的規(guī)則編碼成10位的數(shù)據(jù)，根據(jù)這些規(guī)則，能檢測出傳輸過程中發(fā)生錯誤的信息。通過以上各種措施，8B／10B編碼方式能夠確保數(shù)據(jù)在高速傳輸過程中正確傳送和識別。
因此這里提出一種利用FPGA實現(xiàn)8B／lOB編解碼系統(tǒng)設計方案。

1 系統(tǒng)設計總體設計
1．1 系統(tǒng)設計結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)是基于FPGA設計的8B／10B編解碼器，首先系統(tǒng)接收外部發(fā)送的8B并行數(shù)據(jù)，在8B／10B編碼模塊中完成編碼后，再通過10B數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換模塊生成利于傳輸?shù)?0B串行信號。這樣8B／10B編碼模塊和10B并串轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成8B／lOB編碼器。編碼端發(fā)送的10B串行信號經(jīng)過傳輸線路傳輸后被lOB數(shù)據(jù)串并行轉(zhuǎn)換模塊所接收，轉(zhuǎn)換完成的10B并行數(shù)據(jù)再通過1OB／8B解碼模塊解碼完成后即是還原后的原始數(shù)據(jù)。這樣lOB串行數(shù)據(jù)到10B并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和1OB／8B解碼模塊就構(gòu)成了1OB／8B解碼器。圖1為系統(tǒng)設計框圖。

1．2 設計方案
8B／10B編解碼器通常有兩種設計方法：一種是用查找表直接將8位信號映射成lO位信號，該方法是采用存儲器存儲所有可能出現(xiàn)的碼組，再將輸入碼組轉(zhuǎn)換為存儲地址，找出對應的編解碼。這種方法邏輯簡單，開發(fā)時間很短；另一種是通過邏輯運算直接實現(xiàn)編解碼功能，其優(yōu)點是明顯減小內(nèi)部使用面積，但邏輯關(guān)系復雜。從系統(tǒng)優(yōu)化考慮把1節(jié)8 bit字節(jié)拆分成3 bit和5 bit，然后在極性偏差RD(running dis-
parity)控制器的控制下以并列方式編解碼。這種方法的組合邏輯實現(xiàn)可以簡化碼表，減小電路板的面積，有效提高編碼工作速度，同時由于電路板的面積減小，功耗顯著降低。這里采用第1種方法，同時結(jié)合第2種方法的設計思路。

2 系統(tǒng)軟件程序設計
2．1 8B／10B編碼模塊

2．2 10B并串轉(zhuǎn)換模塊
該模塊主要完成10B并行數(shù)據(jù)到lOB串行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換功能，lOB串行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)格式為：l bit低電平起始位、10 bit數(shù)據(jù)位、l bit高電平停止位、2 bit高電平數(shù)據(jù)空碼。生成一個完整的10B串行數(shù)據(jù)包含4個狀態(tài)，生成起始位、轉(zhuǎn)換10 bit數(shù)據(jù)位、生成停止位、生成數(shù)據(jù)空碼。
2．3 10B串并行轉(zhuǎn)換模塊
該模塊主要完成10B串行信號到10B并行信號的轉(zhuǎn)換，10B信號的串并轉(zhuǎn)換模塊主要是要從14 bit的串行信號中挑出10 bit的有效數(shù)據(jù)位，過程中首先要判斷起始位(而不是任意一個低電平)，然后采集10 bit的有效數(shù)據(jù)位，完成后等待下一個起始位。程序同樣是通過狀態(tài)機來實現(xiàn)整個過程的流通。
2．4 10B／8B解碼模塊
解碼模塊根據(jù)系統(tǒng)要求可分為6B／5B解碼模塊、4B／3B解碼模塊和誤碼檢測模塊。解碼模塊相對編碼模塊而言邏輯過程要簡單的多，該模塊首先將10 bit信號分割成4 bit和6bit兩部分(高低位必須和編碼端對應)，然后4 bit和6 bit數(shù)據(jù)根據(jù)編碼列表分別解碼成3 bit和5 bit，在解碼過程中判斷是否有誤碼產(chǎn)生有則報錯，無則并行輸出。圖4給出了1OB／8B解碼模塊的邏輯框圖和程序設計流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析
待完成整套的8B／10B編解碼器模塊連接后，對整體程序進行仿真驗證，其結(jié)果如圖5所示，其中clkl為編碼和解碼模塊的時鐘引腳，elk2為1OB串并轉(zhuǎn)換和10B并串轉(zhuǎn)換模塊的時鐘引腳，rst為整個系統(tǒng)的異步復位引腳，datin[7..0]為待傳輸?shù)? bit并行數(shù)據(jù)，datout[7．．0]為傳輸完成的8 bit并行數(shù)據(jù)，error為解碼端誤碼檢測報警引腳，wrong為編碼端出錯報警引腳。還有3個引腳是系統(tǒng)不必要的但是為方便調(diào)試而引出的，outl[9..0]為10B串并轉(zhuǎn)換完成的10B并行信號，out3為10B并串轉(zhuǎn)換完成的10B串行信號，out2[9..0]為8B／10B編碼完成的10B并行信號。

由圖5可看出：輸入數(shù)據(jù)datin為“10101110”，經(jīng)過8B／10B編碼完成的數(shù)據(jù)out2為“0111001010”，8B／10B編碼模塊出錯報警引腳為“0”，10B并串轉(zhuǎn)換輸出的串行數(shù)據(jù)out3為“00111001010111”，10B串并轉(zhuǎn)換輸出的并行數(shù)據(jù)outl為“0111001010”，1OB／8B解碼完成的輸出數(shù)據(jù)datout為“10101llO”，結(jié)合整個系統(tǒng)的工作過程和編碼列表不難看出系統(tǒng)正確的完成了編碼和解碼的功能，能滿足設計任務的需要。

4 結(jié)束語
本文提出一種利用FPGA實現(xiàn)8B／10B編碼和10B／8B解碼設計的方法，介紹了8B／10B編解碼技術(shù)，實現(xiàn)了8B／10B的正常編解碼和接口串并、并串轉(zhuǎn)換的設計，在FPGA的控制下能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，滿足了實際設備中所提出的要求。