网络物理层基本知识（PCS子层）

物理层（Phy）是将MAC层并行数据串行化的物理载体，为了在媒介上能有效的传输，需要在串行数据发送前进行编码处理，通常称为信道编码。同时为了能有效控制媒体传输，在信号处理方面同样要做相关处理，如采用差分传输，阻抗匹配，回声消除，多介调制的信号处理方面的内容。同时IEEE802.3对传输线的使用，传输接口的也做了规定。根据以上特点，因此物理层

一般又分为3子层，分别为物理控制子层（PCS）子层，物理媒介附着层（PMA），物理媒介依赖层（PMD）。本文着重介绍PCS子层。

1. PCS（physical control sublayer)子层

该层也属于信道编码，用于改善通信信道质量，降低通信误码率，减少电磁干扰或用于差错控制等。该层编码众多，如4b/5b编码，8b/10b, 64b/66b,64b/67b,128b/132b,NRZ，曼彻斯特编码等。这里将对经常使用的几种进行分析。

4b/5b编码：主要用在100TX的传输中，后面跟着MLT3编码。这些功能都在100兆PHY芯片中实现。
4b/5b数据：16个4bits数据映射到16个从25个编码挑选出来的5bits数据。优点：

（1）避免了长0，长1，有利于时钟恢复。

（2）统计上可以实现直流平衡

4b/5b控制：剩余9个5bits编码用于控制

（1）J、K、L作为启动信号

（2）I作为空闲信号

（3）J、K、L作为启动信号

（4）I作为空闲信号

表1 4b/5b编码表

2. 8b/10b编码 :

8b/10b 编码是当前用的最为广泛的编码方式，主要是解决直流平衡和时钟恢复。是一种优良的线性编码，有效解决了复杂度，直流平衡，时钟恢复与传输效率的平衡。

10bits数据总共1024种组合，从中挑选出512种作为数据编码使用。在数据传输的编码中，将256个8bits数据映射到512种的组合中.

8b/10b编码分割为两个部分，第一部分为5B/6B编码，第二部分为3B/4B编码，总体为8B到10b编码（发送部分），或10B/8B解码（接收部分）。目前在1G光纤以太网中应用。在其它非标通信中应用及其广泛。

5b/6b 编码，将8bits数据分成两个部分5b+3b. 5b为EDCBA为低5位。其中A为最低位。变换成abcdei.

RD为+1或-1决定数据的选择。-1选择左边一栏，+1选择右边一栏。

同时会有K值的选择。有关RD和K值后续的内容会讲解。

表2 5b/6b编码

3b/4b编码

3b/4b 编码，将8bits数据第二个部分3b. 3b为HGF为高3位。其中H为低位，变换成fghj。

数据·的编码范围为D.x.0-D.x.7, 其中x为5b/6b中的编码，RD为+1或-1决定数据的选择。-1选择左边一栏，+1选择右边一栏。

同时会有K值的选择。有关RD和K值后续的内容会讲解.5b/6b与3b/4b拼接组成8b/10b

表3 3b/4b编码

8b/10b K值编码

K值的编码与数据编码非常类似，K值总共12个作为数据传输过程中控制信息使用。1024个编码中的各种有用的组合少于512，其余的冗余编码在数据发送编码中不会使用。在接收中如果出现非编码表中的内容，则会只是通信过程中出现误码。RD为+1或-1决定数据的选择。-1选择左边一栏，+1选择右边一栏。

在实际使用中K.28.5,K.28.1,K.28.7定义为逗号序列，作为帧的分界，K.28.5多用于帧起始，k.28.1多用于帧结束。k.28.7用的相对较少。复杂协议中往往还配合具体的数值一起组成帧起始和结束。

RD 非一致性运行

运行非一致性（Run disparity），是用来消除在通信线路中0，1的不平衡性。观察8b/10b的编码我们会发现，尽管采用了10bits的编码，依然无法满足在一个字节的发送中保持0，1的个数相等。

- RD编码运行原理与步骤。
  - 维持一个变量RD，RD的初始值可以设为+1或-1
  - 运行后，RD如果为-1，则选择表中RD为-1对应的值（D或K），同时RD的值+2，结果RD=+1
  - 如果上次运行后RD=+1,选择表中RD为+1对应的值，RD=RD-2, 结果RD=-1
  - 如果选择的10b中的数据0，1个数相等，则维持原RD的值不变
  - 在持续的数据传输中能维持直流动态平衡。

8b/10b编码例解

输入 Bits: HGFEDCBA

数据分割: HGF EDCBA

换位: EDCBA HGF

Data = 0011_1111

= 001 11111

= 11111 001

= 31 1

E 8B = D31.1

RD=-1 10b abcdei fghj=101011 1001 新RD=+1

RD=+1 10b abcdei fghj=010100 1001 新RD=-1

在下面的章节中提供了8b/10b的编码逻辑实现，以便于讲解，解码部分源代码没有在PPT中提供但是在单独的文件中提供。也可以用查找表的方式实现。

查找表的方式非常简单，维护一个5b/6b和3b/4b表就可以，但RD需要程序进行计算。

练习题：利用FPGA　ROM和COE文件设计8b/10b 与10b/8b编解码。用状态机实现ROM的读取及RD运算。

3. 曼城斯特编码

曼城斯特（Manchester)编码由于有优良的时钟恢复特性，因此早期被广泛应用在各种通信系统中，著名的10M以太网就采用曼彻斯特编码。虽然10M以太网已经退出历史舞台，但工业应用中仍被广泛使用，如机车控制系统中，MVBC系统就是采用曼彻斯特编码。目前智芯融与中车联合开发的MVBC控制器的底层通信协议正是采用了该编码。