基于FPGA的64B/66B編解碼設計與實現(xiàn)

摘 要

64B/66B編碼是萬兆以太網(wǎng)物理編碼子層的重要組成部分，是IEEE推薦的10G通信的編碼方式。文章主要研究64B/66B編碼的編碼準則以及一種基于查找表法的改進的編解碼方法。該方法使用FPGA實現(xiàn)，實驗結果與數(shù)據(jù)分析顯示，該方案滿足設計意圖與協(xié)議的規(guī)定。

【關鍵詞】64B/66B 萬兆以太網(wǎng) 查找表 編解碼 FPGA

與以往的傳統(tǒng)以太網(wǎng)的介質獨立接口類似，萬兆以太網(wǎng)（XGMII）接口為l0GbE的MAC層和物理層之間提供了一種簡單、低成本并易于實現(xiàn)的互聯(lián)接口。XGMII接口由發(fā)送通道和接收通道組成，每個方向的數(shù)據(jù)傳輸是相互獨立的，接口信號由數(shù)據(jù)、控制和時鐘信號構成。XGMII接口具有支持l0Gbps的雙向傳輸速率，成本低、容易實現(xiàn)的特點。64B/66B編碼為XGMMII接口傳輸數(shù)據(jù)編碼，編碼準則來源于IEEE803.2ae，它并不是真正的編碼，而是一種基于擾碼機制的編解碼方式，是IEEE推薦的10G通信標準編碼方式。該編碼具有系統(tǒng)開銷較小，碼字長，安全性高，傳輸快等優(yōu)點。本文根據(jù)IEEE803.2ae中的編碼準則，使用查找表法，運用Verilog語言完成了數(shù)字電路設計，使用Qurtus II軟件完成模擬和數(shù)據(jù)分析。

如今使用硬件描述語言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設計，經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至合適的FPGA 上進行測試，是現(xiàn)代 IC 設計驗證的主流方法。開發(fā)人員可以根據(jù)自身的設計要求對FPGA編程，將編碼燒錄到 FPGA 芯片中即可實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的設計。得到所需要的數(shù)字電路。一個出廠后的成品 FPGA 的邏輯塊和連接可以按照設計者而改變，所以 FPGA可以完成所需要的邏輯功能。

1 編解碼的基本原理

1.1 概述

64b/66b編解碼與萬兆以太網(wǎng)的媒體獨立接口XGMII（10 Gigabit Media Independent Interface）連接。其主要功能是：根據(jù)給出的不同的8個XGMII控制信號（XGMII_TXC[7：0]），把輸入的64B的XGMII數(shù)據(jù)塊或控制塊XGMII_TXD[63：0]編碼成66B碼進行通信。其中，控制信號的每一位與64B碼每8位對應，比如：XGMII_TXC[0]=0，則XGMII_TXD[7：0]為數(shù)據(jù)代碼；XGMII_TXC[0]=1，則XGMII_TXD[7：0]為控制代碼。64B/66B解碼則是將66B碼按照相反的規(guī)律解碼成原先的64B XGMII數(shù)據(jù)塊或控制塊，并將原先的8個控制信號傳送到XGMII接口。

1.2 IEEE802.3ae準則解讀

萬兆以太網(wǎng)協(xié)議 IEEE 802.3ae 中規(guī)定了 64B/66B的編解碼規(guī)則。具體規(guī)則如下：64B/66B碼組的映射關系如表1所示。從中我們可以知道，64B碼可以分為包含純粹數(shù)據(jù)（8個8位的數(shù)據(jù)）的數(shù)據(jù)塊（Data Block Format）和數(shù)據(jù)與控制代碼按照一定順序排列的控制塊（Control Block Format）。根據(jù)不同的64B碼格式，也有不同的編碼規(guī)則，在生成66B碼時就會有不同的同步頭（sync）和塊有效荷（Block Payload）。比如：輸入的八位控制信號全部為0時，則表示輸入的64B碼為數(shù)據(jù)塊格式，則同步頭為01，塊有效荷即輸出相應數(shù)據(jù)。反之，當輸入的八位控制信號不全為0，則表示輸入的64B碼為控制塊格式，則同步頭為10，塊有效荷按如表1中規(guī)定格式生成。

根據(jù)IEEE803.2ae的編碼準則，控制塊代碼也具有相應的類型，這些控制塊代碼的類型如表2所示。表2將控制代碼分為對應的幾種形式：

（1）Idle表示空字符。（64B碼中為16進制ox07，生成66B碼時變?yōu)?6進制ox00）

（2）start表示開始字符。

（3）Terminate表示結束字符。

（4）Error 表示錯誤，一般表示收到錯誤的數(shù)據(jù)。

（5）Sequence ordered_set系列號有序集。

（6）Reserved（0～5）保留字符0到5。

（7）Signal Order_set表示信號有序集。

所有的有效字符必須符合表2的要求，否則為無效或者非法字符。

1.3 編解碼

64B/66B 編碼過程：將輸入的64B碼分成8個1字節(jié)的碼組，根據(jù)輸入XGMII_TXC的每比特值判斷這個碼組是數(shù)據(jù)代碼還是控制代碼。如果XGMII_TXC 每個比特值都為0，則64B碼為純數(shù)據(jù)代碼，直接在64B碼組前加上同步頭01就組成66B碼組輸出。如果XGMII_TXC 中有一個比特為1，則表示64B碼組為控制塊格式，先根據(jù)表2判斷控制塊中的每個控制代碼是否有效，如果符合要求，則繼續(xù)根據(jù)表1中的控制塊格式來判斷是否符合其中一種格式，如果格式符合則根據(jù)相應的控制塊格式生成66B碼組。在編碼過程中，只要不符合表1或表2中的任何形式就認為是無效不符合要求，則不需進行編碼。

解碼則相對容易，與編碼過程相反，首先根據(jù)66B碼的同步頭判斷當前的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)塊還是控制塊，如果是數(shù)據(jù)塊則將除塊頭的64B數(shù)據(jù)賦予XGMII_TXD[63：0]，再將XGMII_TXC[7：0]全部賦值0；如果是控制塊，則根據(jù)塊類型區(qū)的值確定控制塊的格式，可以得到64B碼每8位數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)代碼還是控制代碼，一方面得出XGMII_TXC[7：0]，另一方面，運用查找表法，根據(jù)表1和表2相應的轉換得出XGMII_TXD[63：0]。（表1中的空格表示一比特0，在64B控制塊格式中C0—C7是8比特，在66B塊效荷中為7 比特）。

2 編解碼器設計

2.1 改進的編碼器設計

根據(jù)對編碼原理的研究，目前最常用的64b/66b編碼方法是查找表法，這種方法雖然實現(xiàn)起來非常方便，但是使用過程中占用資源相對巨大，對于工程來說，單純?yōu)榱司幗獯a占用較多的FPGA資源是不合理的，這在很大程度上限制了該方法的使用。鑒于此，本文采用了一種基于查找表法的新的編碼方法。其基本思路是：先判斷輸入的XGMII_TXC是否符合控制塊格式的要求并判斷出同步頭，如果不符合則直接輸出Error并不需要對XGMII_TXD進行處理。再根據(jù)控制塊將輸入的XGMII_TXD分為8個通道，分別對每個8位數(shù)據(jù)進行處理，最后將數(shù)據(jù)輸入多路復用器進行整合，輸出符合要求的66Bit數(shù)據(jù)。其基本原理電路圖如圖1所示。編碼器的組成為：輸入數(shù)據(jù)寄存器，控制塊格式判斷模塊，數(shù)據(jù)代碼生成模塊，塊類型寄存器和多路復用器模塊。

2.2 解碼器設計

先分析66B碼的同步頭和塊類型數(shù)據(jù)，得出接受的是數(shù)據(jù)塊還是控制塊，并可以確定是何種類型的控制塊，生成判決信號輸送到下一個模塊（塊類型生成模塊），然后塊類型生成模塊根據(jù)表1和表2得出相應的64B控制塊格式并根據(jù)判決信號得出XGMII_RXC的值。碼子反轉換模塊根據(jù)XGMII_RXC判斷XGMII_RXD每8個比特是控制代碼還是數(shù)據(jù)代碼并根據(jù)表2進行相應轉換。最后利用數(shù)據(jù)生成器將這些數(shù)據(jù)或控制信號組成總線的形式輸出。

3 仿真結果和數(shù)據(jù)分析

3.1 實驗用FPGA開發(fā)板介紹

本文所使用的開發(fā)板如圖3所示，該開發(fā)板的FPGA芯片是選用Cyclone IV系列的FPGA器件EP4CE15F17C8N，屬于邏輯單元相對較少的FPGA芯片。CycloneIV系列器件集成了一個可選擇的低成本收發(fā)器，在不影響性能的情況下，節(jié)省了功耗及成本。針對無線、有線、廣播、工業(yè)，用戶以及通信等行業(yè)中的低成本的小型應用，CycloneIV器件應該是最理想的選擇。

3.2 實驗結果

根據(jù)本文提出的新的64B/66B編解碼方法，在Altera公司的Quartus II 軟件平臺上進行相關程序代碼的編寫，并選用Cyclone IV系列的FPGA器件EP4CE15F17C8N實現(xiàn)了編解碼的功能驗證，電路綜合和波形仿真。編碼器的仿真結果如圖4所示， 從圖中的仿真波形可以看出，DATA_OUT輸出前先延時4個時鐘周期，當輸入xgmii_txc=0xff，xgmiix_txd=0x0707070707070707時，表示輸入的控制塊格式，參考表1，同步頭為10，則可以得出data_out= 00000000000000079 。從圖4可以得出結果是正確的。相反，解碼器仿真結果如圖5所示，解碼器輸出延時2個時鐘周期，當輸入數(shù)據(jù)data_in=00000000000000079時，解碼得出結果xgmii_txc=0xff；xgmii_txd=0x0707070707070707，也與解碼碼準則相符合。

以上的仿真結果表明本文設計的編解碼器可以正確的對輸入的數(shù)據(jù)進行編解碼，符合本文的設計意圖。

本文所設計的編碼器的FPGA資源占有率如圖6所示，解碼器的FPGA資源占有率如圖7所示，從圖中看出，資源的總體占有率很小，使用較少的邏輯單元（其中編碼器：625/15408約占4%；解碼器：426/15408 約占3%）便能完成工程設計，符合工程設計要求。

4 結論

64B/66B編碼作為一種應用于以太網(wǎng)技術的編碼方式，具有很多優(yōu)點，其也為之后用于PCI-E，USB的128B/132B編碼提供參考。本文的數(shù)字電路設計方法是基于查找表法的改進方法，在運用FPGA實現(xiàn)時，具有占用資源少，編碼速度塊等優(yōu)點。此外，此方法使用的Verilog代碼具有很好的可移植性，可以作為IP核植入到64B/66B編碼的光纖電路中，特別適合FPGA設計，有很實用的工程價值。

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作者簡介

王向陽（1991-），男，安徽省廬江市人。合肥工業(yè)大學碩士生。主攻方向為數(shù)字集成電路設計。

作者單位

合肥工業(yè)大學電子科學與應用物理學院 安徽省合肥市 230009