基于FPGA的64B/66B編解碼設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要

64B/66B編碼是萬(wàn)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(zhǔn)則以及一種基于查找表法的改進(jìn)的編解碼方法。該方法使用FPGA實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析顯示，該方案滿足設(shè)計(jì)意圖與協(xié)議的規(guī)定。

【關(guān)鍵詞】64B/66B 萬(wàn)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(zhì)獨(dú)立接口類似，萬(wàn)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(jiǎn)單、低成本并易于實(shí)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(gè)方向的數(shù)據(jù)傳輸是相互獨(dú)立的，接口信號(hào)由數(shù)據(jù)、控制和時(shí)鐘信號(hào)構(gòu)成。XGMII接口具有支持l0Gbps的雙向傳輸速率，成本低、容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。64B/66B編碼為XGMMII接口傳輸數(shù)據(jù)編碼，編碼準(zhǔn)則來(lái)源于IEEE803.2ae，它并不是真正的編碼，而是一種基于擾碼機(jī)制的編解碼方式，是IEEE推薦的10G通信標(biāo)準(zhǔn)編碼方式。該編碼具有系統(tǒng)開銷較小，碼字長(zhǎng)，安全性高，傳輸快等優(yōu)點(diǎn)。本文根據(jù)IEEE803.2ae中的編碼準(zhǔn)則，使用查找表法，運(yùn)用Verilog語(yǔ)言完成了數(shù)字電路設(shè)計(jì)，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(yǔ)言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局，快速的燒錄至合適的FPGA 上進(jìn)行測(cè)試，是現(xiàn)代 IC 設(shè)計(jì)驗(yàn)證的主流方法。開發(fā)人員可以根據(jù)自身的設(shè)計(jì)要求對(duì)FPGA編程，將編碼燒錄到 FPGA 芯片中即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。得到所需要的數(shù)字電路。一個(gè)出廠后的成品 FPGA 的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計(jì)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(wàn)兆以太網(wǎng)的媒體獨(dú)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(gè)XGMII控制信號(hào)（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(jìn)行通信。其中，控制信號(hào)的每一位與64B碼每8位對(duì)應(yīng)，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(gè)控制信號(hào)傳送到XGMII接口。

1.2 IEEE802.3ae準(zhǔn)則解讀

萬(wàn)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(guān)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(gè)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(shí)就會(huì)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(hào)全部為0時(shí)，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(yīng)數(shù)據(jù)。反之，當(dāng)輸入的八位控制信號(hào)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(zhǔn)則，控制塊代碼也具有相應(yīng)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(duì)應(yīng)的幾種形式：

（1）Idle表示空字符。（64B碼中為16進(jìn)制ox07，生成66B碼時(shí)變?yōu)?6進(jìn)制ox00）

（2）start表示開始字符。

（3）Terminate表示結(jié)束字符。

（4）Error 表示錯(cuò)誤，一般表示收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

（5）Sequence ordered_set系列號(hào)有序集。

（6）Reserved（0～5）保留字符0到5。

（7）Signal Order_set表示信號(hào)有序集。

所有的有效字符必須符合表2的要求，否則為無(wú)效或者非法字符。

1.3 編解碼

64B/66B 編碼過(guò)程：將輸入的64B碼分成8個(gè)1字節(jié)的碼組，根據(jù)輸入XGMII_TXC的每比特值判斷這個(gè)碼組是數(shù)據(jù)代碼還是控制代碼。如果XGMII_TXC 每個(gè)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(gè)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(gè)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(lái)判斷是否符合其中一種格式，如果格式符合則根據(jù)相應(yīng)的控制塊格式生成66B碼組。在編碼過(guò)程中，只要不符合表1或表2中的任何形式就認(rèn)為是無(wú)效不符合要求，則不需進(jìn)行編碼。

解碼則相對(duì)容易，與編碼過(guò)程相反，首先根據(jù)66B碼的同步頭判斷當(dāng)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(yùn)用查找表法，根據(jù)表1和表2相應(yīng)的轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)的編碼器設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)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(shí)現(xiàn)起來(lái)非常方便，但是使用過(guò)程中占用資源相對(duì)巨大，對(duì)于工程來(lái)說(shuō)，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(duì)XGMII_TXD進(jìn)行處理。再根據(jù)控制塊將輸入的XGMII_TXD分為8個(gè)通道，分別對(duì)每個(gè)8位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最后將數(shù)據(jù)輸入多路復(fù)用器進(jìn)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(fù)用器模塊。

2.2 解碼器設(shè)計(jì)

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(hào)輸送到下一個(gè)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(yīng)的64B控制塊格式并根據(jù)判決信號(hào)得出XGMII_RXC的值。碼子反轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)XGMII_RXC判斷XGMII_RXD每8個(gè)比特是控制代碼還是數(shù)據(jù)代碼并根據(jù)表2進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換。最后利用數(shù)據(jù)生成器將這些數(shù)據(jù)或控制信號(hào)組成總線的形式輸出。

3 仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)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(duì)較少的FPGA芯片。CycloneIV系列器件集成了一個(gè)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(duì)無(wú)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(yīng)用，CycloneIV器件應(yīng)該是最理想的選擇。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(tái)上進(jìn)行相關(guān)程序代碼的編寫，并選用Cyclone IV系列的FPGA器件EP4CE15F17C8N實(shí)現(xiàn)了編解碼的功能驗(yàn)證，電路綜合和波形仿真。編碼器的仿真結(jié)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(shí)4個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)輸入xgmii_txc=0xff，xgmiix_txd=0x0707070707070707時(shí)，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(jié)果是正確的。相反，解碼器仿真結(jié)果如圖5所示，解碼器輸出延時(shí)2個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)data_in=00000000000000079時(shí)，解碼得出結(jié)果xgmii_txc=0xff；xgmii_txd=0x0707070707070707，也與解碼碼準(zhǔn)則相符合。

以上的仿真結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的編解碼器可以正確的對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行編解碼，符合本文的設(shè)計(jì)意圖。

本文所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，符合工程設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

64B/66B編碼作為一種應(yīng)用于以太網(wǎng)技術(shù)的編碼方式，具有很多優(yōu)點(diǎn)，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(shè)計(jì)方法是基于查找表法的改進(jìn)方法，在運(yùn)用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)，具有占用資源少，編碼速度塊等優(yōu)點(diǎn)。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(shè)計(jì)，有很實(shí)用的工程價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1]溫宇辰.嵌入式光纖萬(wàn)兆以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連：大連理工大學(xué)通信與信息系統(tǒng)，2014.

[2]齊劍，胡春暉.高端路由器8口萬(wàn)兆子卡的硬件設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2015（07）：178-181.

[3]朱云鵬.10G EPON協(xié)議分析儀中物理層的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：電子科技大學(xué)光學(xué)工程，2015.

[4]周晴倫，王勇.萬(wàn)兆以太網(wǎng)中64B/66B編解碼的硬件實(shí)現(xiàn)方法[J]：光通信技術(shù)，2006（02）：21-23.

[5]王新.高速率傳送網(wǎng)平臺(tái)的物理層編碼研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：電子科技大學(xué)通信與信息系統(tǒng)，2015.

[6]IEEE Std 802.3ae-2002[S/OL].New Jersey：IEEE，2002[2002-8-30].http：//standards.ieee.org.

[7] The Automotive-Grade Device Handbook [EB/OL].2016-5-3.San Jose：http：//www.altera.com.

[8]程博鋒.基于FPGA及以太網(wǎng)技術(shù)的100G接口板設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué)電子與通信工程，2014.

作者簡(jiǎn)介

王向陽(yáng)（1991-），男，安徽省廬江市人。合肥工業(yè)大學(xué)碩士生。主攻方向?yàn)閿?shù)字集成電路設(shè)計(jì)。

作者單位

合肥工業(yè)大學(xué)電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院 安徽省合肥市 230009