了解4B/5B編碼

一、4B/5B編碼是什麼

4B/5B編碼是一種線路編碼方式，主要用於將數據通過物理介質傳輸。它將每4個數據比特映射為5個編碼比特，並通過這些編碼比特將數據傳輸到目標設備。

在這個編碼過程中，每一個4比特都會被映射成一個5比特的編碼。每個編碼都必須滿足這樣的條件：在每個連續的五位比特中，必須有兩位低電平和三位高電平或反過來。這是為了確保編碼中位電平的數量相對均衡，從而確保傳輸的正確性和穩定性。

二、4B/5B編碼的優勢

1. 通過使用4B/5B編碼，可以避免像基礎傳輸協議（如RS-232）這樣的協議中存在的一些問題。RS-232協議是類似於由計算機發出的電報，它具有易受噪聲干擾，難以檢測錯誤等缺點，但是4B/5B編碼通過將數據分開並使用特定的編碼模式，使得傳輸變得更為可靠。

2. 4B/5B編碼也有助於在較長的傳輸距離和較高的傳輸速度之間進行權衡。這是因為高速數據傳輸系統通常會使用較寬的信號帶寬，這使得在這些系統中普通的二進制編碼不太適用。4B/5B編碼允許在信號頻帶寬度固定的情況下，在同等的物理距離上實現更高的數據傳輸速率。

三、4B/5B編碼的具體操作

下面是一個 4B/5B編碼表：

0: 11110     A: 10001    
1: 01001     B: 10100    
2: 10100     C: 10101    
3: 10101     D: 01010    
4: 01010     E: 01011    
5: 01011     F: 01110    
6: 01110     G: 01111    
7: 01111     H: 10010    
8: 10010     I: 10011    
9: 10011     J: 10110    
A: 10110     K: 10111    
B: 10111     L: 11010    
C: 11010     M: 11011    
D: 11011     N: 11100    
E: 11100     O: 11101    
F: 11101     P: 11110    

4B/5B編碼是根據這個編碼表來實現的。編碼的實際操作步驟是：

1. 將4比特數據分成兩個組，每組兩個比特。

2. 通過查找4B/5B編碼表，將每個4比特組映射到一個5比特編碼組。

3. 將兩個5比特編碼組合併為單個的10比特編碼，並將它們發送到目標設備。

四、4B/5B編碼的實際應用

4B/5B編碼是廣泛應用於許多不同的標準和協議中的。例如，它是以太網，Fiber Channel和SAS協議所使用的標準。

以下是4B/5B編碼在以太網中的實際應用示例：

// 以太網數據包的格式
struct EthernetHeader {
  uint8_t dest[6];
  uint8_t src[6];
  uint16_t type;
  uint8_t payload[1500];
  uint32_t crc;
};

// 數據包傳輸過程中的 4B/5B 編碼
void encode_data(uint8_t *dst, uint8_t *src, size_t len) {
  while (len--) {
    uint8_t lo = *src & 0xF;
    uint8_t hi = (*src++ >> 4) & 0xF;

    *dst++ = coding_table[hi];
    *dst++ = coding_table[lo];
  }
}

// 接收端的解碼函數
uint8_t decode_symbol(uint8_t symbol) {
  // 線索：coding_table 是一個 256 個元素的數組
  ...
}

五、4B/5B編碼的局限性

儘管4B/5B編碼在許多不同的應用場景中具有許多優勢，它仍然存在某些限制和局限性。

1. 編碼過程會增加消息的大小，因為每4比特數據現在需要5比特編碼數據來傳輸。這可能會導致其中的一些瓶頸或其他參數，例如帶寬、傳輸速度和延遲變得更嚴重。

2. 長距離傳輸時，4B/5B編碼可能無法解決噪聲的問題。雖然4B/5B編碼能夠更好的解決噪聲問題，但是如果噪聲太大，它仍然可能無法防止數據的錯亂或損壞。

六、總結

4B/5B編碼是一種廣泛應用於各種協議和標準中的編碼方式。它能夠提供一種可靠的數據傳輸方式，適用於高速傳輸和長距離傳輸等應用場景。雖然它也存在某些局限性，但是它仍然是從工程角度來看的一種非常成熟的編碼方式。