【博文精选】以太网扫盲——64b/66b编码

64b/66b编码技术是IEEE 802.3工作组为10G以太网提出的，目的是减少编码开销，降低硬件的复杂性，并作为8b/10b编码的另一种选择，以支持新的程序和数据。当前，64b/66b编码主要应用于Fiber Channel 10GFC和16GFC、10G以太网、100G以太网、10G EPON、InfiniBand、Thunderbolt和Xilinx的Aurora协议。
64b/66b编码将64bit数据或控制信息编码成66bit块传输，66bit块的前两位表示同步头，主要由于接收端的数据对齐和接收数据位流的同步。同步头有“01”和“10”两种，“01“表示后面的64bit都是数据，“10”表示后面的64bit是数据和控制信息的混合，其中紧挨着同步头的8b是类型域，后面的56bit是控制信息或者数据或者两者的混合。64b/66b编码格式图如下图所示，其中D表示数据编码，每个数据码8bit；Z表示控制码，每个控制码7bit；S表示包的开始，T表示包的结束。S只会出现在8字节中的第0和第4字节，T能够出现在任意的字节。除同步码外，64bit的数据必须经过扰码以后才能进行传输。10G以太网的64b/66b编码所使用的扰码器为X58+X39+1.
一个18 bytes的数据块的传输过程的例子，如下图所示：
与前几代串行通信系统中常用的8b/10b编码相比，64b/66b严格意义上并不能算作编码，其只是2bit的同步头与扰码后的64bits数据的组合。扰码是一种将数据重新排列或者进行编码以使其岁佳话的发布方法，主要作用是将数字通信中的"0"和"1"分布随机化，从而使比特信息模式被随机化，进一度减轻了抖动个码间串扰，提高了通信的可靠性。从本质上讲，扰码正式为了达到上述目的而在待传输数据进入信道传输之前，对其进行的比特层的随机化处理过程，与扰码过程相对应的解随机化过程称之为解扰。扰码的数学原理使用了多项式，多项式的选择通常是基于扰码的特性，包括生成数据的随机度，以及打乱连0和连1的能力。一个简单的扰码器包含一组排列好的触发器，用于移位数据流。大部分的触发器只需要简单地输出下一个比特流即可，但是在缪谢复杂的扰码电路中，触发器需要与数据流中的历史比特进行逻辑运算（与和或运算）。基本的扰码电路如下所示：
64b/66b编码过程如下图所示：
64b/66b与8b/10b的简单比较如下图所示：
需要注意的是，64b/66b编码没有办法限制Run Length（即数据流中的连续的0或者连续的1长度）到一个比较小的值，只能通过选择合适的多项式来取得相对最优的DC Balance和相对较低的较大值得Run Length的概率。显然，采用64b/66b编码，对串行收发器的CDR提出了非常高的要求。
  • 注：实际上，各种协议所采用的扰码多项式并非完全相同。从理论上来讲，任何一种扰码多项式都存在与之对应的Critical Data Pattern，会导致很长的Run Length出现。考虑到采用64b/66b编码的串行协议几乎都是基于数据包（Packet）传输的，而数据包往往存在包头包尾等具备明确特征的信息。因此，可以基于该协议数据包的特征找到最适合该协议的扰码多项式，可以将最大Run Length限制在一定的范围之内，或者将出现较大Run Length的概率降低。除此之外，扰码器的种子（随机数种子）和周期（或者不定期）的复位扰码器等都是控制Run Length和DC Balance的手段。
随着高速串行通信技术的发展，越来越多的标准（协议）开始采用64b/66b编码（以及其演进的编码技术，如128b/130b）。整理如下：
采用64b/66b编码的有：10/40/100G Ethernet、Xilinx Aurora、Camera Link HS、CPRI、Fibre Channel 10GFC、InfiniBand和Thunderbolt等；
采用128b/130b（或者128b/132b等）编码的协议有：NV-Link、PCIe Gen3/4/5、SATA 3.2、SAS4、USB3.1和DisplayPort2.0等；
采用256b/257b编码的有：Fibre Channel Gen6/7/8。
主要参考文献：
1、https://fmad.io/blog-10g-ethernet-layer1-64b-66b.html
2、https://howlingpixel.com/i-en/64b/66b_encoding
3、https://blog.csdn.net/qq_36134761/article/details/80385755
4、https://blog.csdn.net/hit_wzj/article/details/50405060
5、http://www.edadoc.com/cn/TechnicalArticle/Show.aspx?id=1158
6、IEEE 802.3-2018 Section 6, Ch82
7、PCIe Spec V3.0

 

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