イーサネットの物理層（22）個別規格 1000BASE-X 8B/10B 符号化 / 8B10B 変換

8B/10B 符号化

10ビットデータに変換する際に、 1/0 連続数を制限し確実な信号反転を発生させることと 1/0 個数の差を制限制限範囲内に収める必要がある。1/0 連続数制限は、1/0 の連続数が 4 個以内に収まるコードを選択することで実現している(一部の制御コードが4を超える)。もう一つの課題である 1/0 個数差の制限については、理想的な個数差を 0 に制限することは 8B/10B 符号化ではできない。これを実現するためには 10 ビットよりさらに大きなシンボルが必要になる。そこで、1/0 個数累積差を一定範囲内に収める方法になっている。

ビット列の 1/0 の個数差をディスパリティ (disparity:不均衡性)、送信した全データのディスパリティ累計値をランニングディスパリティ( running disparity)と呼ぶ。8B/10B 符号化では、ランニングディスパリティを常に -1~ +1 の範囲に収まるように変換候補を選ぶ仕組みだ。

8B/10B 符号化では、 8ビットデータを HGF EDCBA の上位3ビットと下位5ビットに分割する。H が最上位ビット(MSB:Most Significant Bit)で、A が最下位ビット(LSB: Least Significant Bit)になる(図1)。上位3ビットを4ビットに変換する 3B/4B 変換と、 下位5ビットを6ビットに変換する 5B/6B 変換を組み合わせて 8B/10B 変換を実現している。上位3ビットをグループy、下位5ビットをグループx と呼び、8ビットデータを10ビット変換したデータコードは Dx.y と表記する。 00 hex ~ FF hex の 8 ビットデータは D00.0~D31.7 のいずれかのシンボルに変換される。 IDLE コードや区切りコードなどの制御コードは Kx.y と表記し、12個の制御コードがある。

8B/10B 符号化はシンプルなテーブル変換になっている。8ビットのテーブル変換では、 256 個の変換テーブルが必要になるが、3ビットと5ビットに分割することで40 個 (8+32)の変換テーブルで済む。

図2 の様に、8B/10B 符号化では上位3ビットの HGF は 4ビットの fghj に、下位5ビッ トの EDCBA は6ビットの abcdei に変換される。変換結果は abcdei fghj の配列になり、順序が入れ替わっているので注意が必要だ。ネットワークには矢印の順(abcdei fghj)で 送信される。a が先頭で j が末尾になる。この変換に規則性はなく完全なテーブル変換になっている。変換順序は、先ず下位5ビット(xグループ)が 5B/6B 変換テーブルで変換される。次に上位3ビット(yグループ)が 3B/4B 変換テーブルで変換される。

図2 の 5B/6B 変換テーブル(後半)の様に、6ビット符号化シンボルは +/- の2つが割り当てられている。緑色部分は +/- が同じコードでかつ「1」と「0」の数が同じになっている。 1/0 の差がないコードを「ニュートラルディスパリティ」と呼ぶ。ニュートラルディスパリティでは、 +/- に同じコードが配置される。これ以外の 1/0 の数に差があるコードを「非ニュートラルディスパリティ」と呼ぶ。非ニュートラルディスパリティでは、「1」の数が2つ多い「正」コードがー側に、「1」の数が2つ少ない「負」コードが+側に配置される。3B/4B 変換テーブルも基本構造は変わらないが一部に例外がある(黄色)。 +/- の2つのコードはランニングディスパリティの計算に使用する。

図2 は、D17.2(51 hex)を10ビットコードに変換した例だ。下位5ビットが「5B/6B 変 換テーブル(後半)」で6ビットに変換され、次に上位3ビットが「3B/4B 変換テーブル」で4ビットに変換される。これれを組み合わせて10ビットデータが作られる。何れの変換もニュートラルディスパリティのため、ランニングディスパリティの計算はまだ登場しない。

ランニングディスパリティ(RD)計算

RD 計算を変換開始時の RD が-1 の場合で説明する。

RD=-1 の場合

新たに8ビットデータを受け取ると、まず下位5ビットが「5B/6B 変換テーブル」で6 ビットに変換される。選択された「6ビット符号化シンボル」がニュートラルディスパリティの場合、「1」と「0」の数に差がないため「RD=-1」の状態は変化しない。

選択された「6ビット符号化シンボル」が非ニュートラルディスパリティの場合、「1」の数が2つ多い 「正」コードを選択する。RD に2が加算され「RD=+1」 (RD=-1+2=+1)に変化する。「負」コードを選択すると、RD=-3 となり制限範囲を超えることになる。

次に上位3ビットが「3B/4B 変換テーブル」で4ビットに変換される。選択された「4 ビット符号化シンボル」がニュートラルディスパリティの場合、RD は変化しない。

選択された「4ビット符号化シンボル」が非ニュートラルディスパリティの場合、 5B/6B 変換後の RD 値により動作が変わる。RD=-1 の場合、「正」コードを選択する。RD に2が加算され「RD=+1」(RD=-1+2=+1)に変化する。RD=+1 の場合、「負」コードを選択する。RD から2が減算され「RD=-1」(RD=+1-2=-1)に変化する。

つまり、RD の計算は計算結果が常に -1/+1 のいずれかになるため、直前の RD がマイナスの場合は「正」コードを選択し、RD がプラスの場合は「負」コードを選択する。図3 の例は RD=-1 の状態で始まる D16.4(90 hex)の変換例だ。初期値が RD=-1 のため、5B/6B 変換テーブルで「正」コードを選択し RD=+1 に変化する。次に 3B/4B変換テーブルでは「負」コードを選択し RD=-1 になる。 RD の初期値は「-1」で始まり表1 に従いディスパリティを選択するため、常に -1/+1 の何れかになる。

5B/6B 変換テーブルと 3B/4B 変換テーブルのシンボルコードの配列に違和感を持つ方がいるはずだ。「正」コードが符号化シンボル⊖に、「負」コードが符号化シンボル⊕に配置されている。これは、直前の RD がマイナスの場合は「シンボルコード ⊖」を選択し、直前の RD がプラスの場合は「シンボルコード⊕」を選択することで RD を計算することができるための仕掛けになっている。RD 計算結果が -1/+1 以外 ならば、エラーが発生していることになる。

B/10B 変換コードは、表2 ~表12 を参照いただきたい。

8B/10B 符号化後、10ビットパラレルデータをシリアル変換し NRZ 符号に変換する。NRZ 符号を基に光信号が作られる。

8B10B 変換テーブル