（电路与系统专业论文）万兆千兆以太网物理子层芯片设计.pdf

摘要 摘要 论文研究t8 b 1 0 b 编码中的内在相关性，并在此基础上提出两种编解码方法：一种是基于逻辑设计 的编、解码方法，另- - r p 是并行处理算法。通过比较，得出第二种方法逻辑更简单、实现结构更紧凑，而 且避免了大扇入、扇出的情况，适合于大规模集成电路。仿真结果证明第二种方法速度较高，用t s m c o 2 5 u r nc m o s 工艺能够实现不低于3 0 0 m b s 速率的编解码。当然，最后流片采用的是t s m c0 1 8 u r nc m o s 工艺。8 b 1 0 b 码的主要功能就是大大增加了传输码的0 ，1 转换密度，有利于接收端的时钟恢复。8 b 1 0 b 码广泛应用于干兆以太网、万兆以太网1 0g p , a s e x 、甚短距离传输( v s r ) 、光纤通信系统及光纤通信系 统背板等。 8 b 1 0 b 码的冗余度相对较高，所以万兆以太网1 0g b a s e r 和1 0g b a s e w 标准种采用了另一种编 解码方案，即6 4 b 6 6 b 编解码方案。6 4 b 6 6 b 码本身只是一种码的格式转换，并没有显著增加码的0 ，1 转换密度。所以6 4 b 6 6 b 编解码方案包括6 4 b 6 6 b 码格式转换、扰码脯￥扰。 6 4 b 6 6 b 码冗余度很小，其代 价是同步所需时间和资源相对较多。电路采用t s m c01 8 u r n c m o s 工艺设计，通过m p w 项目流片。 上述两块芯片由于输入输出管脚数较多，所以都采用了封装测试的办法。芯片封装后，通过p c b 板 进行测试。 【关键词】8 b 1 0 b 码；编码；解码；逻辑运算；并行处理：集成电路；6 4 b 6 6 b 码 扰码；解扰；变速箱；同步；p c b 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri si n v o l v e di nt h ec h a r a c t e r i s t i eo f t h e8 b 1 0 bc o d e ，b a s e du p o nw h i c hw ea d v a n c et w o m e t h o d so f c o d i n ga n dd e c o d i n g o n ei st h el o g i cr e l a t i o n s h i pt ob ef o u n do u tb e t w e e n8 ba n d1 0 b t h eo t h e ri si np a r a l l e l t h ew a y8 ba r ec o d e di n t o1o bo r10 bi n t o8 b i i nc o m p a r i s o l l w ef i n dt h a t t h el a t t e ri sb e t t e ri nt h a ti t sl o g i ci ss i m p l e ra n di t ss t r u c t u r ei sc o m p a c t e dw i t ht h es m a l ln u m b e r s o ff a n i na n df a n o u tt h a nt h ef o r m e r , t h u si ti sb e n e f i c i a lt ob ei n t e g r a t e di nac h i p t h er e s u l t s s h o w st h a tt h es p e e di sh i g h f o ri n s t a n c e t h ec i r c u i tc a nw o r ka t1 e a s t3 0 0 m b si nt s m c0 2 5 u r n c m o st e c h n o l o g y h o w e v e r , t h ec i r c u i ti st a p e do u ti nt s m c0 18 u mc m o st e c h n o l o g y 8 b 10 b i sa d o p t e db e c a u s et h ec o d e sh a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fh i g ht r a n s i t i o nd e n s i t yo f3 - 8t r a n s i t i o n sp e r 1 0 一b i tc o d e g r o u p w h i c hi sg o o dt ot h er e c o v e r yo f t h ec l o c ki nt h er e c e i v e r 8 b 1 0 bi sw i d e l yu s e d i ng i g a b i te t h e r n e t ，1 0g i g a b i te t h e r n e t ( 1 0g b a s e x 1 ，v s r o p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n d t h eb a c k b o a r do f 廿l eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m o nt h eo t h e rh a n d 8 b 1o bh a st 1 1 eh i g hr e d u n d a n c y , w h i c hi su s e df o r t h ef o i l o w i n g ：t om a k ee r r o r d e t e c t i o nm o r er e l i a b l e t os e p a r a t ec o d e g r o u p sf o rd a t aa n dc o n t r 0 1 t op r o v i d es u 街c i e n t 仃a n s i t i o n d e n s i t yf o rc l o c kr e c o v e ht oa l l o ws i m p l ec o d e g r o u ps y n c h r o n i z a t i o n a n dt oc o m b a tp o o rc h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s s o1 0g i g a b i te t h e l - n e tf 1 0g b a s e ra n d1 0g b a s e w 1u s e s6 4 b 6 6 bc o d i n ga n d d e c o d i n g ，w h i c hi st h ec o d et r a n s f o r l t lp e rs ew i t h o u tt h eh i g ht r a n s i t i o nd e n s i t ya n di t sr e d u n d a n c y i ss m a l la tt h ec o s to fc o m p l i c a t e ds y n c h r o n i z a t i o na n dt h es t o r a g e d i f i e r e n tf r o m8 b 1 0 b t h n s s c r a m b l ei sa d d e dt ot h e6 4 b 6 6 ba n dd e s c r a m b l ei so t h e r w i s ea d d e db e f o r et h e6 4 b 6 6 b t h e c i r c u i ti sd e s i g n e di nt s m co 18 u mc m o s t e c h n o l o g ya n dt a p e do u ti nt h em p wp r o j e c t t h et w oc h i p sm e n t i o n e da b o v ea r ep a c k a g e dr e s u l t e df r o mag r e a tm a n yi n p u t sa n do u t p u t s ， a f t e r w a r d st h ep a c k a g e dc h i p sa r ef i x e di np c bt ob et e s t e d k e y w o r d s 】8 b 10 b ；c o d i n g ；d e c o d i n g ；l o g i ca r i t h m e t i c ；i np a r a l l e l ；i n t e g r a t e dc i r c u i t s ；6 4 b 6 6 b ； s c r a m b l e ；d e s c r a m b l e ；g e a r b o x ；s y n c h r o n i z a t i o n ；p c b 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 r 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：益盔! 起日期：竺丝! ：一 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：盘盏益二 导师签名 第一章引言 1 1 千兆以太网概述 第一章引言 随着网络技术飞速发展，多媒体应用愈来愈多，对网络的需求也越来越大，尤其是在服务器端上， l o o m b p s 的速度已不能满足要求。于是g i g a b i t e t h e r n e t 诞生了。 以太网的基本特征是采用一种称为载波监听多路访问冲突检测c s m a c d ( c a r r i e rs e n s em u l t i p l e a c c e s s c o l l i s i o nd e t e c t i o n ) 的共享访问方案，即多个工作站都连接在一条总线上，所有的工作站都不断向总 线上发出监听信号，但在同一时刻只能有一个： 作站在总线上进行传输，而其他工作站必须等待其传输结 束后再开始自己的传输。冲突检测方法保证了只能有一个站在电缆上传输。早期以太网传输速率为 1 0 m b p s 。 千兆以太网技术作为新的高速以太网技术，它仍采用了与i o m 以太网相同的帧格式、帧结构、网络协 议、全半双工工作方式、流控模式以及布线系统。由于该技术不改变传统以太网的桌面应用、操作系统， 因此可与i o m 或l o o m 的以太网很好地配合_ l = 作。 一、千兆以太网的主要特点如f ： ( 1 ) 简易性：千兆以太网继承了以太网、快速以太网的简易性，因此其技术原理、安装实施和 管理维护都很简单； ( 2 )扩展性：由于千兆以太网采用了以太网、快速以太网的基本技术，因此由1 0 b a s e 。t 、 1 0 0 b a s e t 升级到千兆以太网非常容易； ( 3 )可靠性：由于千兆以太网保持了以太网、快速以太网的安装维护方法，采用星型网络结构， 因此网络具有很高的可靠性； ( 4 ) 经济性：由于千兆以太网是1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e t 的继承和发展，一方面降低了研究成本， 另一方面由于1 0 b a s e t 和1 0 0 b a s e t 的广泛应用，作为其升级产品，千兆以太网的大量应 用只是时间问题，为了争夺千兆以太网这个巨大市场，几乎所有著名网络公司都生产千兆 以太网产品，因此其价格将会逐月下降。千兆以太网与a t m 等宽带网络技术相比，其价格 优势非常明显： ( 5 ) 可管理维护性：千兆以太网采用基于简单网络管理协议( s n m p ) 和远程网络监视( r m o n ) 等网络管理技术，许多厂商开发了大量的网络管理软件，使干兆以太网的集中管理利维护 非常简便； ( 6 ) 广泛应用性：千兆以太网为局域主干网和城域主干网( 借助单模光纤和光收发器) 提供了 一种高性能价格比的宽带传输交换平台，使得许多宽带应用能施展其魅力。例如在千兆以 1 查堕查堂堡土堂生笙三j 三 太网上开展视频点播业务和虚拟电子商务等。 二、千兆以太网协议结构 千兆以太网( i e e e8 0 2 3 z ) 采用了最初的1 e e e8 0 23 以太网规范和a n s ix 3 t 1 1 光缆信道( f i b e r c h a n 】n e l ) 规范中成熟协议的组合，下图解释了千兆以太网对这两个标准的组合。 i e e e s o z 3 网络标准： i e e e8 0 2 2i j l c i e e e8 0 2 3c s m a c d i e e e8 0 2 3p h y fc 一4u p p e rl a y e rm a p p i n g f c 一3c o m m o ns e r v i e e f c 一2s i g n a ir g f c1e n c o d e d e c o d e f c 一0i n t e r f a c e m e d i a a n s ix 3 t l1 光缆信道规范 图1 1 1i e e e 8 0 2 3 网络标准 i e e e8 0 2 2l l c c 8 b l o b ! 痛码解码 器 i e e e8 0 2 3 x 千兆 以太网规范 物理接口特性 干兆网协议栈最底层引用的是光缆信道( f i b e rc h a n n e l ) 规范的f c0 层定义接口和媒介所支持的速率 和距离。 并串行串并行转换 物理层( p h y ) 的上层是并串行串并行转换( s e r i a l i z e r d e s e r i a l i z e r ) ，这一层支持各种编码方案，在 光缆信道规范中定义的8 w 1 0 b 编码就是其中一种。 编码是与媒介有关的：8 b 1 0 b 是为光纤媒介设计的。当千兆以太网规范支持双绞线时( 可能在1 9 9 8 年中后期) ，并串行串并行转换将提供与千兆以太网h - i y 层相应的双绞线编码方案。 - 8 b 1 0 b 编码层 8 b 1 0 b 编码层是采用光缆信道( f i b e rc h a n n e l ) 规范的f c 1 层。描述的是位同步格式和编码解码方 案。8 b 1 0 b 编码方案把8 位数据以l o 位组的形式发送。8 b t 0 b 编码耗费最少的主件设计，并提供良好的 转换密度，能容易地恢复时间响应。 -m a c 层 千兆以太网支持全双工( f u l l - d u p l e x , ) 和半双工( h a l f - d u p l e x ) 传输。在全双工模式f ，千兆以太网 的媒体访问控制层( m a c ) 采_ l = | ji e e e s 0 2 3 全双t 规范，包括i e e e s 0 2 3 x 的基于f 噱的流量控制。在、f 双 工模式下，千兆以太网的m a c 层支持载波监听多路存取和冲突检测( c s m a c d ) 访问方法，c s m a c d 2 第一苹引言 在最初的i e e e 8 0 2 3 以太网规范中。 - 高层协议 千兆以太网的m a c 层以上与1 e e e 8 0 2 3 标准并没有什么不同，它支持以太网和i e e e 8 0 2 3 规范中的 逻辑链路控制协议( l l c ) 。l l c 使千兆网上能运行多种协议( 包括t c p i ps p x j i p x 等) 。 三、千兆以太网系统 o s i r e f e r e n c e m o d e l l a y e r s a p p l i c a t i o n p r e s e n t a t l 0 n s e s s i o n t r a n s p o r t n e t w o r k d a t al i n k p h y s i c a l ， ， ， ， ， 1 ， ， ， | j ， ， l a nc s m a c d l a y e r s h i g h e rl a y e r s l l cl o g i c a ll i n kc o n t r o l m a cc o n t r o l ( o p t i o n a l ) m a c m e d i aa c c e s sc o n t r o l r e c o n c i l i a t l 0 n g m i i 叫l y 虐嗨i y 弧 1 0 0 0 b a s e x p h y m d i - m e d l u md e p e n d e n tn q t e r 、a c eg m i i = g i g a b i tm e d i ar n d e p e n d e n ti n t e r f a c e p c s = p i i y s i c a l c o d l n gs u b l a y e rp m a = p h y s i c a l m e d i u m 爿兀a c h m e n t p h y = p h v s i c a ll a y e rd e v i c ep m d = p h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n l r l x p m d = p m df o rf i b e r - l o n g e l e n g t h c l a u s e3 8 s x - p m d = p m df o rf i b e i o s h o r tw a v e l e n g t h c l a u s e3 9 c x p m d = p m df o r l 5 0 b a l a n c e d c o p p e r c a b l 【n g c l a u s e3 9 n o t b _ t h ep m ds u b l a y e r sa r em u t u a l l yi n d e p e n d e n t 图l1 21 0 0 0 b a s e - x 和p m d 的位置关系 1 2 万兆以太网概述 万兆以太网技术与千兆以太网类似，仍然保留了以太网帧结构。通过不同的编码方式或波分复用提供 1 0 g b i g s 传输速度。所以本质上1 0 g 以太网仍是以太网的一种类型。1 0 g 以太删标准了= 2 0 0 2 年7 月在i e e e 通过。1 0 g 以太网包括1 0 g b a s e x 、1 0 g b a s e r 和1 0 g b a s e w 。1 0 g b a s e x 使用一种特紧凑包装， 含有1 个较简单的w d m 器件、4 个接收器和4 个在1 3 0 0 n m 波长附近以大约2 5 n m 为间隔工作的激光器， 每一对发送器接收器在3 1 2 5 g b i t s 速度( 数据流速度为2 5 g b i t s ) 下工作。1 0 g b a s e r 是一种使用 3 东南大学硕士学位论文 6 4 b 6 6 b 编码( 不是在千兆以太网中所用的8 b 1 0 b ) 的串行接口，数据流为1 0 0 0 0 g b i f f s ，因而产生的时 钟速率为1 0 3 g b i f f s 。1 0 g b a s e w 是广域网接口，与s o n e to c 一1 9 2 兼容，其时钟为9 9 5 3 g b i t s 数据流 为9 5 8 5 g b i f f s 。万兆以太网系统结构如下： o s i r e f e r e n c e m o d e l l a y e r s a p p l i c a t i o n p r e s e n t a t i o n s e s s i o n t r a n s p o r t n e t w o r k d a t a l i n k p h y s i c a l f o g b a s e p l a y l a nc s m a c d l a y e r s h i g h e ri a y e r s l l c l o g i c a ll i n kc o n t r o l ， ， m a cc o n t r o l ( o p t i o n a l ) h i a c m e d i aa c c e s sc o n t r o l r e c o n c i l i a t l 0 n ， x g m i i 一 y a 婢跆驰哪 一r 。w i s s e r i a lp m a s e r i a lp m a i i p m d i i 肇! i 。 眦i j _ + i m d i _ + i i o g b a s e w p h y m d i = m e d i u md e p e n d e n ti n t e r f a c ep c s = p h y s l c a le n c o d e ds u l 3 l a y e r p h y = p h y s i c a ll a y e rd e v i c ep m a = p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t p m dp h y s i c a lm e d i u md e p e n d e n tw i s - w a ni n t e r f a c es u b l a y e r x g m i i = 1 0g i g a b i tm e d i ai n d e p e n d e n ti n t e r f a c e e n c o d i n g ： r6 4 b 6 6 be n c o d i n g w 1 t h o u tw 1 sw6 4 b 6 6 be n c o d i n gw i t hw 1 s n o t e - t h ep m ds u b l a y e r sa r em u m n l yi n d e p e n d e n t 圈1 2 1 万兆咀太网物理层结构 1 0 g 以太网与传统的以太网兼容，采用传统以太网的帧格式承戴业务。为了达到1 0 g b i t s 的高速率， 1 0 g 以太网在物理子层先：舟以太刚帧映射到o c 1 9 2 c 帧，然后采j ： ： o c 1 9 2 c 的帧格式传输。1 0 gw a n 物 理层并不是简单的将以太网m a c 帧_ i _ | jo c 一1 9 2 c 承载。虽然借鉴了o c 一1 9 2 c 的块状帧结构、指针、映射以 及分层的开销，但是在s d h 帧结构的基础纠故了大量的简化，使得修改屙的以太网对抖动不敏感，列利 钟的要求不高，避免了繁琐的嗣步复用，信号不烂从低速率复h j 成高速率流，而是直接映射到o c 1 9 2 c 净 负荷中。 1 0 g 以太局域网和1 0 g 以太r 城网c 采用o c 1 9 2 c ) 物理层的速率不同，l o g 以太局域网的数据率为 1 0 g b i f f s ，而1 0 g 以太广域网的数据率为9 , 5 8 4 6 4 g b i f f s ( s d ho c 1 9 2 c ，是p c s 层来编码前的速率) ，但是 两种速率的物理层共增一个m a c 层，m a c 层豹1 作速率为1 0 0 b i t s 。采用州么样的调整策略将j o g m i i 接口的1 0 0 b i t s 传输速率降低，使之与物理层的传输速率9 5 8 4 6 4 0 b i t s 捆匹配，是1 0 g 以太r 域网需要解 4 苎二童! l 童 决的问题。目前将1 0 g b i v s 速率适配为9 5 8 4 6 4 g b i f f s 的o c 1 9 2 c 的酮整策略有3 种： 在g m i i 接口处发送h o l d 信号，m a c 层在一个时钟周期停止发送： 利用“b u s yi d l e ”，物理层向m a c 层在 p g 期间发送“b u s yi d l e ”，m a c 层收到后，篱停发送数据。物 理层向m a c 层在i p g 期间发送“n o r m a l i d l e ”，m a c 层收到后，重新发送数据；采用i p g 延睦机制：m a c 帧每次传完一帧，根据平均数据速率动态调整i p g 间隔。 1 _ 3 关于本次课题 本次课题设计主要是设计干兆以太网物理编码子层8 b 1 0 b 编解码电路和万兆以太网物理编码子层电 路。对于千兆以太网物理编码子层，数据宽度为8 位，数据速率为1 2 5 m b s ；而万兆以太网，我们按照 1 0 g b a s e r 标准，设计的物理编码子层电路数据宽度为6 4 位，数据速率为1 5 6 2 5 m b s 。干兆以太网和万 兆以太网的物理编码子层采用的是不同的编码方式；编码电路各包含一些子功能模块。这些在其后给出详 细设计方案。 本次设计采用t s m c0 1 8 u r nc m o s 工艺，电源电压为1 8 v 。 东南大学硕士学位论文 第二章高速集成电路设计概述 本文所设计的f 兆万兆以太网物理层编码予层电路采用了模拟集成电路的设计方法，在本章中我们将 讨论本次设计所涉及剑的高速集成电路设计工艺及殴汁方法的些问题。 2 1 高速集成电路设计工艺 在高速集成电路设计中，各种半导体材料均可找到它们的麻j 刊领域。在这些材料中，硅( s i ) 、砷化嫁 ( g a a s ) 、磷化 ；| 玎( 1 n p ) 是虽基本、最重要的二娄。在这三种利料的衬底上可以制造更复杂的材质系统， 生产不同的固态器件和集成电路。因为本次设计采用c m o s j 一艺，所以在这里我们重点介绍一下以硅材料 为基础的材质系统。 硅是现代电子器件和计算机工业的基础。在过去4 0 年问，利用石丰作为基本材判的很多技术已经得到 发展并逐渐成熟起来。它们包括：双极性结型晶体管( b j t ) 、结型场效应管( j - - f e t ) 、p 型、n 犁、互 补型金属氧化物半导体品体管( p m o s ，n m o s ，c m o s ) ，以及双极性型c m o s ( b i c m o s ) 。 在硅圆片直径不断增加的同时( 6 英寸，8 英寸，1 2 英寸) ，一个单片集成电路包含的晶体管数目及其 工作述率也在不断提高。 由于原材料便宜，生产技术成熟，生产价格低廉，硅集成电路已成为系统设计制造的主流。现在9 0 以e 的集成电路制造市场都由硅所占据。在硅工艺中，双极性硅技术可以达到很高的数据信号处理速率， 利_ l = | jo 4 9 r n 的双极性硅：f 艺的一个中等规模集成电路的工作速率已经超过了5 0 g b s 。以往的高速率集成电 路火多采川坝极性硅：【艺实现，但是随着c m o s l 艺向着弧微米和深孤微米方向发展，其电路工作速率上 限已逐渐接近砷化镓和唰极性硅也路的常规工作速率，利用深亚微米工艺，已可以实现工作速率在o b i t s 以上的电路。 c m o s ：f 艺的优势在于：( 1 ) c m o s 工艺容易获得。国内有华晶、华虹、先进等半导体工艺厂商可以 提供加二 腮务；美国m o s i s 向全世界提供多目标芯片服务，其提供的最先进的c m o s 工艺已经达到0 1 8 u m 的水平：欧洲也有类似的组织如c m p 提供多目标芯片的服务。( 2 ) c m o s 流片成本比其它t 艺低。( 3 ) c m o s 电路功耗小，集成度高。c m o s 有着g a a s 、双极性硅等工艺无法比拟的优点。 而且，随着c m o s ：l ：艺进步，特征j t 寸减小，深微米c m o s 器件的特征频率 不断提高，对应于 o 3 5 9 m 、o 2 5 _ t m 、0 1 8 9 m1 艺的特征频率疗分别为1 35 g h z 、1 8 6 g h z 、4 9 g h z 。我们综合考虑电路功耗、 芯片面积及流片途径等因素，决定本次设计采用t s m c 的o 1 8 a m c m o st 艺实现。 6 笙三里塑垄堡堕璺堕垡生塑堕 2 2 高速集成电路设计方法 芯片设计是一项复杂的系统工程。随着晶体管数目的不断增加和系统结构的日益复杂，尤其是工艺从 微米发展到亚微米、深亚微米，人们需要对庞大的设计过程作更精细的划分，芯片设计基本采取自底向上 殴计流程。芯片设计并不是可以一次按顺序走完的简单过程，它往往要经过反复的修改迭代才能满足最后 的设计指标。 值得提出的是，器什模型的精确程度是容易被忽视的，但却是极为关键和重要的。没有与所用工艺配 套的精确器件模型，就无法对实际的电路性能做出准确的仿真预测，有可能使仿真结果和实际电路相去甚 远，增加芯片设计的风险性。美国加州大学b e r k e l e y 分校开发的b s i m 3 v 3 1 ( b e r k e l e p s h o a c h a n n e l i g f e t m o d e l3 v e r s i o n3 1 ) 模型是最新的基于物理的深亚微米m o s f e t 模型，适用于数字和模拟电路设计。它对 以前的版本( b s i m 3v e r s i o n2 0 ) 作了较多的修改，提供了更加精确可靠的深亚微米仿真基础。本文中所 有电路的仿真结果都基于由芯片制造厂商提供的b s i m 3 v 3 1 深亚微米模型。 目前l c 设计j 、泛采用白项向下的层次式设计方法。层次式设计将设计目标划分为不同层次的级别，而 对每一设计层次，针剥不同的描述方式又可以划分为儿个不同的领域。表2 1 给出了l c 层次式设计的分布图。 表2 1 集成电路设汁的层次 设计层次行为描述结构描述 设计考虑 自然语言描述的性能指 系统级方框图系统功能 标、结构 芯片级( i c 中也弱(微处理器、存储器、串( 并) 为系统级) 算法时序、同步、测试 行口、中断控制器 寄存器级( i c 中为数据流图、有限状态机、 寄存器、计数器、m u x 、a l u时序、同步、测试 宏单元)状态表、状态图 逻辑门级布尔方程、卡诺图逻辑门、触发器选择适当的基本门 电路级电流、电压的微分方程晶体管、r 、l 、c电路性能、延时、噪声 版幽级几何图形与工艺) ；! i ! 则 图21 是广泛采用的芯片设计流程图。设计芯片时，首先要确定电路的系统性能，如：工作速率，电源 电压等，不同的电路侧重点不同；然后根据系统的性能确定电路的结构和采用的工艺；接下去熟悉工艺并 用相应的工艺设计系统中的单元电路并用s m a r t s p i c e 软件进行仿真，性能优化；当仿真结果满足系统要求 后，进行版图设计；提取版图的寄生参数进行后仿真；如果不能满足系统要求。则要修改电路或版图后重 新进行设计和仿真，直到后仿真结果满足系统性能要求为止。在版图的验证和后仿真都完成后，我们将设 计数据传送给代t 厂进行流片，当我们得到制作完成的芯片后，进行性能测试米确定这次设计是否成功。 7 东南_ 人学硕十学位论文 蠖 星里 叫 捶 龊 p _ 害 固 蛙 舒 蛰 蜷 口t 叫 = 翼 阵 图21 芯片基本设计流程 8 第三章于兆，万兆以太网物理编码子层电路设计 第三章千兆万兆以太网物理 编码子层电路设计 物理编码子层( p h y s i c a lc o d i n gs u b s y s t e m ，简称p c s ) 位于协调子层( t 兆以太网通过g m i i 、万兆 以太两通过x g m l l ) 和物理介质接入( p h y s i c a lm e d i u ma t t a c h m e n t ，简称p m a ) 子层之间。p c s 层完成 将经过完善定义的以太俐m a c 功能映射到现存的编码和物理层信号系统的功能上去。p c s 层和上层 r s m a c 的接1 2 1 由g m l l ( 千兆以太网) 或者x g m i i ( 万兆以太网) 提供，与f 层p m a 接1 2 1 使用p m a 服 务接i 。 千兆以太网和万兆以太网采用不同的编解码方式：千兆以太网采用8 b 1 0 b 编解码方案；万兆以太网 1 0 g b a s e x 仍采用8 b 1 0 b 编解码方案；万兆以太网1 0 g b a s e r 和1 0 g b a s e w 采用6 4 b 6 6 b 编解码方 案。下而将分别阐述两种编解码方案。 3 1 千兆以太网物理编码子层8 b 1 0 b 编解码电路设计 千兆以太网1 0 0 0b a s e x 采用8 b 1 0 b 编解码方案。以太网编码器通过g m i i 接收m a c 层的数据， m a c 层的数据以字节( b y t e ) 为单位；然后将每个字节编码成特定的适合于可靠传输的l o 比特( b i t ) 码 组( c o d e g r o u p ) 。这其中额外的2 比特增加了传输开销，但是1 0 比特能表示的码比8 比特能表示的码多， 所以有了一定的传输冗余度。这种冗余度有如下作用：( 1 ) 使错误检测更可靠；( 2 ) 区分数据码组利控制 码组；( 3 ) 为时钟恢复提供足够丰富的转换密度：( 4 ) 提供简单的码组同步：( 5 ) 抵抗劣质的信道特性。 千兆以太网8 b 1 0 b 码具有如下特征： - 每1 0 比特码组有3 至8 次0 ，1 转换的高转换密度； - 直流( d c ) 平衡；最火游程值( 这里的游程值指的是1 0 比特码组中1 的个数) 为5 ；若0 用1 表示， 1 用+ 1 表示，则8 b 1 0 b 码的最大游程和( r t m n i n g d i g i t a ls u m ，a b r r d s ) 为3 ； - 数据和控制信令用不同的码组表示： _ c o m m a 标识用丁码组同步： - 具有较好的错误检测能力，特别是在结合m a c 帧格式的帧检测序列c r c3 2 时。 这种码具有的高的转换密度和好的直流平衡特性，能使激光的光谱轻微展宽，从而使激光接收机的性 能接近理想状态。而且，直流平衡也减小了激光器中与数据有关的热效应，从而接收端可以使用简单交流 耦合的接收机。 协议给出了8 b 1 0 b 码表，穷尽了8 比特码的2 5 6 中可能组合。一种可行的编码方法是：帧发送过程 9 变堕盔堂堡主堂堡笙苎 将8 比特数据按照码表中指定的对应码编成1 0 比特的码组；帧接收过程将1 0 比特的码组解码成8 比特的 数据。另一种方法是：将8 比特数据分成3 比特和5 比特两部分，这两部分分别进行编码，然后通过控制 单元，按照两部分码的内在联系得到1 0 比特的码组。很显然，第二种方法可以节省大量的资源，而且可 以提高编解码速率。本次设计就采用第二种方法。简化的8 b 1 0 b 编码框网如图3 1 1 所示。8 b 1 0 1 3 编解 e n c o d e8 sa c o n t r o l ( k ) o r o 。b i 8 c t b l t o u t p u t x d l a b e l s t o 呻u fc o d e g r o u p b i b p 一s pu 1 o 咄一g r o u p t xc o d e 。g r o u p b i tl a b e l s n 3 11 简化的8 b 1 0 b 编码框图 码方案，为了保证输出码组的直流( d c ) 平衡，协议将编码后的码分成两列：游程( r d ) 为“+ 和游 程( r d ) 为“一”。当前码组的游程影响下一个码在游程为“+ ”的列中还是游程为“”的列中。 对于编解码电路，一般有两种方案：一是基于逻辑的电路设计；二是查表法。选择那种方法应视实际 情况而定。我们提出了一种并行处理方法，结合了上述两种方法的特性。下面给出基于逻辑的电路设计和 并行处理方法的实现，进一步比较一下各自的优缺点。 3 1 1 8 b 1 0 b 编解码电路设计 从8 b l o b 码表可以看出，码组间的相关性并不相同；而将8 b 码分为5 b 和3 b 之后，5 b 6 b 和3 b 4 b 之间 的相关性比较大。据此，两种方法都先将相关性大的5 b 6 b 编码和3 b 4 b 编码分为两个独立模块，然后由这 两个模块共同完成8 b 10 b 编码。 1 基于逻辑的设计方法 ( 1 ) 编码逻辑设计 8 b 1 0 b 编码在传输系统中的对应关系如图3 1 1 1 所示，发送端将8 b 码组按照特定规则映射成为1 0 b 码 组后再将1 0 位并行输出通过并串转换器复接成l 路高速信号在光纤中传输。 0 ： 望三雯王! ! 堕垄坠奎堕望型塑璺王星生堕堡生 图31 118 b 1 0 b 编码的信号流圈 其中，8 b 1 0 b 编码模块结构图如下( 图3 1 1 2 所示) 僦懒块阿 赫卧l 控制甲元r 1 ( r d 上) i 1 恒区回一悃囤 。 l 一际h 睚 固肖 输出 1 0 b l l 一 纠麈lel|6b r |h l 控制单元l 7 i ( r d + ) 【 + ，卜一 。 匿 + 编码模块l j l j 图3 1i28 b 1 0 b 编码结构图 该编码结构图由5 b 6 b 编码模块、3 b 4 b 编码模块和控制模块组成。其中e d c b a 表示5 b 码字、h g f 表示3 b 码字、a b c d e i 表示6 b 码字、f g h j 表示4 b 码字。游程值的正负则由r d + 和r d - 表示。首先以r d - 列为基准对 5 b 6 b 编码进行分析，发现在2 5 6 个6 b 码字中只存在3 2 种不同可能组合。据此只对这3 2 组编码进行逻辑优化 可得n a 、b 、c 、d 、e 、i 所对应a 、b 、c 、d 、e 的逻辑关系l o g i c l 。与r d - 列中的6 b 码字相比，在r d + = ( j 0 中的6 b 码或者相同或者是其取反。故用一个控制变量c 1 完成对r d + 列和r d 列中6 b 码字关系的判定。由上 述分析，完整的5 b 6 b 编码逻辑关系仅用对3 2 个表达式的逻辑化简和1 位附加控制位就得以实现，减小了编 码的难度和对应电路的规模。 表3 13 b 4 b 编码映射关系 h g f 0 0 00 0 1 0 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 l l ( 3 b 码字) 1 0 1 l1 0 0 1 0 1 0 l1 1 0 01 1 0 l1 0 1 00 1 1 01 1 1 0 v g h j 0 1 0 0 0 0 l l0 0 1 0 0 0 0 1 ( 4 b 码字) 1 0 0 0 0 1 1 1 查塑查堂堡主堂垡堕苎i 3 b 4 b 编码的映射关系见表3 1 。当h g f 为0 0 1 、0 1 0 、l0 1 以及1 1 0 b 都有一一对应的映射关系，而在0 0 0 、 o l l 和1 0 0 时则存在两种相互取反的映射对应关系。而1 1 1 的情况最为特殊：它的映射为两对互为取反的4 b 编码。根据表1 ，首先求得第一行和第二行之间对应的逻辑关系l o g i c 2 ，再设一控制变量c 2 判别是否对其 进行取反运算，从而实现从0 0 0 到1 1 0 的七种编码对应逻辑。特别分析1 1 1 的情况，其中剐为1 1 1 0 5 8 0 0 0 1 的 编码关系已经包含于上述的对应关系之中。如果在r d + 列，5 b 码e d c b a 的输n ) b o i o l l 、0 1 1 0 1 及0 1 1 1 0 时， 4 b 编码龟h j 的输出由o o o l 变为i 0 0 0 ，相差f 和j 两位。对应在r d 列，当e d c b a 输入为1 0 1 0 0 、1 0 0 1 0 h 1 0 0 0 1 时，窀1 1 j 的输出则由1 1 1 0 变j , d 0 1 1 1 ，仍相差f 和j 两位。注意到此时r d + 和r d f f j s b 输入码互补， 且3 b 4 b 编码的输出也互补，由此分析出了表1 中所列的全部编码。 完整的8 b 九o b 编码还需要通过r d 值在由5 b ，6 b 编码模块和3 b 4 b 编码模块产生的r d 一和r d + 两列中进 行选择，并组合产生1 0 b 编码。系统没定的r d 默认初始值为r d 一，如图3 1 1 2 中的控制模块所示。r d 的初 值作为选择信号，用以决定5 b 6 b 编码模块中6 b 码的选取，同时由所选取的6 b 码计算出新的r d 值作用于 3 b 4 b 编