8b/10b

シリアル通信にはデータと、そのデータを拾うタイミングを作るクロックの存在が欠かせない。8b/10b方式はシリアル・データの中にクロックを埋め込むことで、データとクロックの転送を同じ配線で行うことが特徴である。

データとクロックを同時に通信するときに、LowやHighの状態が長期間に渡って続く場合は、そこからクロックを取り出せなくなることがある。8b/10bではどのようなデータであっても、Low/High状態が4クロック以下になるように変換を行う。これによって、帯域の20%をロスする(=データの割合が8/10になる)代わりに、データとクロックを同じ配線で同時に送受信することが可能になる。

シリアル転送方式の多くで採用され、ギガビットイーサネット (1000BASE-X)^[3]、ファイバーチャネル (1GFC～8GFC)^[4]、IEEE 1394b (FireWire 800)^[5]、PCI Express 2.0^[6]、Serial ATA^[7]、USB 3.0^[8]などがこの方式を採っている。

8b/10bで同一のシンボルを長時間連続して送ると、電気変動が周期的になるため基板上でノイズの発生源となる恐れがある。 この対策として、PCI Expressでは8ビットデータに疑似乱数によるスクランブル処理を掛けてから8b/10b変換する方法が採用されており、伝送路が常にランダムなビットパターンで動作し続けることで周期変動を防いでいる。

さらに高速通信になると上記同様にスクランブル処理を用いる方式が多くなり、10ギガビット・イーサネット(10GBASE-R)やファイバーチャネル(10GFC・16GFC)では64b/66bが、PCI Express 3.0やUSB 3.1 Gen2では128b/130bが採用されている。

8ビットの元データを HGF EDCBA の上位3ビット/下位5ビットに分け、それぞれ1ビットずつ加えてLSBが最初に来る形でabcdei fghjのように下位6ビット/上位4ビットに変換する。 この変換はシンボル D.xx.x のように表記し、8ビットの元データ 0x00～0xFF は、256種のシンボル D.00.0, D.01.0, ... , D.31.6, D.31.7 で表現される。

以下に変換テーブルの一例としてIBMの実装を示す。このビット変換に決まった法則はなく、完全なテーブルによる変換で行われる。

[a] 0/1が5連続しないようなものを選択して使う。 [b] D.17.7, D.18.7, D.20.7 (=0xF1, 0xF2, 0xF4) でのみ使う。 [c] D.11.7, D.13.7, D.14.7 (=0xEB, 0xED, 0xEE) でのみ使う。

シンボルの中には正負2種類が用意されているものがあるが、多くは0/1の個数が異なっており、それを反転させた組になっている。これまでに送ったシンボルの0/1の個数差をランニングディスパリティ (RD) と呼び、このRDによって正負シンボルどちらを使うかが決まる。

• 直前のRDが正(=1が多い)なら、次は負シンボルを送る。
• 直前のRDが負(=0が多い)なら、次は正シンボルを送る。
• 送るシンボルの1の数と0の数が同じなら、RDの正負は維持する。

RDの初期値は負である^[9]。したがって最初に送る10ビットシンボルは、5個ずつの1・0を持つシンボルでRD=負を維持するか、6個の1・4個の0を持つシンボルでRD=正にする、のいずれかで始まる。この性質により、受信データにRD極性の違反があれば、それ以前にエラーがあることを検出できるようになっている。

上記シンボルはデータを表現するもので総称してDコードと呼ばれるが、さらにこれ以外に制御用としてKコードと呼ばれるシンボルが12個ある^[10]。