8b/10b 编码的工作原理

8b/10b 编码的工作原理

8b/10b 编码是一种广泛应用于高速数据传输领域的线路编码技术，其核心是将 8 位二进制数据（1 字节）映射为 10 位二进制符号后再传输，通过“增加冗余”解决高速传输中的直流分量偏移、时钟同步丢失等关键问题，常见于 PCI Express、SATA、以太网（部分速率）等接口标准。

一、核心设计目标：为何需要 8b/10b 编码？

在高速串行传输中，原始二进制数据（如连续 0 或连续 1）会导致两个核心问题：

1. 直流分量偏移（DC Balance）：若传输信号中“0”和“1”的数量长期不均，接收端的信号判决阈值会漂移，导致误码；
2. 时钟同步丢失（Clock Recovery）：连续相同符号（如“000000”）会使接收端无法从信号中提取时钟信号，无法判断每个符号的边界。

8b/10b 编码通过“8 位数据→10 位符号”的映射，强制保证长期传输中“0”和“1”的数量近似相等，同时避免连续多个相同符号，从根本上解决上述问题。

二、核心概念：平衡码与非平衡码

10 位符号按“0”和“1”的数量可分为两类，这是 8b/10b 编码的基础：

• 平衡码（Balanced Code）：10 位中“0”和“1”的数量均为 5（即“5个0+5个1”），记为 D.c. = 0（D.c. 为“直流平衡度”，计算方式：1 的数量 - 0 的数量）；
• 非平衡码（Unbalanced Code）：10 位中“0”和“1”的数量相差 2（即“4个0+6个1”或“6个0+4个1”），记为 D.c. = +2（1 更多）或 D.c. = -2（0 更多）。

8b/10b 编码的关键逻辑是：通过选择不同的 10 位符号，动态抵消累计的直流偏移，确保整体传输的直流平衡。

三、工作原理：三步实现 8b→10b 映射

8b/10b 编码的映射过程分为“拆分 8 位数据→选择 5b/6b 映射→选择 3b/4b 映射”三步，核心是通过“5b/6b”和“3b/4b”的组合，灵活调整直流平衡度。

1. 第一步：拆分 8 位数据（abcdefgh）

将 8 位二进制数据（记为 abcdefgh）拆分为两部分：

• 高 5 位：abcde（决定后续的“5b/6b 映射”）；
• 低 3 位：fgh（决定后续的“3b/4b 映射”）。

例如：8 位数据 10110011（二进制）→ 拆分为高 5 位 10110、低 3 位 011。

2. 第二步：5b/6b 映射（核心：平衡直流）

5 位数据（abcde）有 32 种可能（2⁵=32），每种 5 位数据对应 2 种 6 位符号（称为“正码”和“负码”），两种符号的直流平衡度相反（如正码 D.c.=+2，负码 D.c.=-2）。

映射的关键规则：根据当前的“累计直流平衡度（Running Disparity, RD）”选择符号——

• 若当前 RD 为 正（表示之前传输的“1”偏多），则选择 D.c. 为负的符号，抵消正偏移；
• 若当前 RD 为 负（表示之前传输的“0”偏多），则选择 D.c. 为正的符号，抵消负偏移；
• 若当前 RD 为 0（平衡），默认选择其中一种（如“正码”）。

示例：5b 数据 00000 的映射

• 正码：001111（4个1+2个0，D.c.=+2）；
• 负码：110000（2个1+4个0，D.c.=-2）；
• 若当前 RD=+2（1 偏多），则选择负码 110000，使累计 RD 降至 0（+2 + (-2) = 0）。

3. 第三步：3b/4b 映射（辅助：补充平衡）

3 位数据（fgh）有 8 种可能（2³=8），每种 3 位数据对应 1~2 种 4 位符号，符号的直流平衡度同样为“平衡（2个0+2个1，D.c.=0）”或“非平衡（1个0+3个1，D.c.=+2；3个0+1个1，D.c.=-2）”。

3b/4b 映射的逻辑与 5b/6b 一致：根据当前的累计 RD，选择能使 RD 趋向平衡的 4 位符号，最终确保“5b/6b 符号 + 3b/4b 符号”组成的 10 位符号，整体直流平衡度最优。

示例：3b 数据 000 的映射

• 正码：0101（2个0+2个1，D.c.=0，平衡码）；
• 负码：1010（2个0+2个1，D.c.=0，平衡码）；
• 无论当前 RD 如何，选择任一符号均可保持平衡，无偏移。

4. 最终：组合 6b + 4b 符号

将“5b/6b 映射得到的 6 位符号”与“3b/4b 映射得到的 4 位符号”拼接，形成最终的 10 位传输符号。

完整示例

假设 8 位数据为 00000000（abcdefgh = 00000 000）：

1. 拆分：高 5 位 00000，低 3 位 000；
2. 5b/6b 映射：若当前 RD=0，选择正码 001111（D.c.=+2），累计 RD 变为 +2；
3. 3b/4b 映射：当前 RD=+2，选择负码 1010（D.c.=0），累计 RD 仍为 +2（但整体符号无连续相同位）；
4. 最终 10 位符号：001111 1010（即 0011111010）。

四、特殊符号：控制码（K 码）

除了“8 位数据→10 位数据码（D 码）”的映射，8b/10b 编码还定义了控制码（K 码），用于传输同步信号、帧起始/结束等控制信息（而非用户数据）。

K 码的生成逻辑与 D 码类似，但映射关系是“特定 8 位控制信息→10 位 K 码”，且部分 K 码是唯一的（不会与 D 码冲突），例如：

• K28.5 码：1100001011（常用于 PCI Express 的帧同步）；
• K23.7 码：0010111101（常用于 SATA 的控制信号）。

五、核心优势与应用场景

1. 核心优势

• 直流平衡：长期传输中“0”和“1”数量近似相等，避免接收端阈值漂移；
• 时钟友好：10 位符号中最多只有 5 个连续相同位（如 0000011111），接收端可稳定提取时钟；
• 误码检测：若接收的 10 位符号不在“D 码+K 码”的映射表中，可直接判定为误码；
• 效率较高：编码效率 = 8/10 = 80%（高于曼彻斯特编码的 50%），适合高速传输。

2. 典型应用场景

• 高速接口：PCI Express（1.0_{4.0）、SATA（1.0}3.0）、USB 3.0；
• 网络传输：10Gbps 以太网（部分物理层）、光纤通道（Fibre Channel）；
• 存储系统：SAS（串行连接 SCSI）、SSD 内部高速总线。

六、总结

8b/10b 编码的本质是“用 2 位冗余（8→10）换取传输可靠性”，通过“拆分数据→双阶段映射→动态调整直流平衡度”的逻辑，解决了高速传输中的直流偏移和时钟同步问题，是现代高速数字接口的核心技术之一。其设计思想也为后续的 64b/66b 编码（更高效率，用于 100Gbps 以太网）提供了基础。