一种面向超高速以太网的双模RS解码器设计

李继豪，沈剑良，陈 艇

（中国人民解放军战略支援部队信息工程大学 信息技术研究所，河南 郑州 450002）

2017年IEEE发布了802.3bs协议，标志着200 Gb/s，400 Gb/s以太网正式投入使用。从早期的10 Mb/s发展到现在的400 Gb/s，以太网带宽的不断增大提升了信道容量，但也带来了信道损耗、信号间干扰、误码率等问题[1]。为了降低传输误码率，满足以太网对传输可靠性的要求，IEEE以太网标准规定100 Gb/s以上以太网必须使用FEC对传输过程中发生的错误进行检测与纠错[2]。

当前100 Gb/s以上以太网使用的FEC纠错码有两种：RS（528，514，7）码和RS（544，514，15）码。RS码是在伽罗华域GF(2m)上运算的一种线性分组循环码，对于RS(n,k,t)码，n是码字长度，k是信息位长度，t=(n-k)2表示最大可纠错个数。RS码具有极强的随机错误和突发错误纠正能力，广泛应用于有线通信、无线通信、光通信等领域[3]。

根据IEEE 802.3第73条自动协商结果，端口中的PCS层需要支持两种不同规范的FEC编解码方案。为在同一个端口中支持两种规范，解码器中需要两个专用实例分别执行RS（528，514）和RS（544，514）的解码功能，而同一时间只能按照一种规范来进行传输。这意味着在以RS（528，514）为FEC方案的数据传输过程中，只有RS（528，514）解码器占用的资源处于工作状态，RS（544，514）解码器资源处于空闲状态，造成了资源浪费。

当前主流的方法是对以太网FEC解码模块中的两种RS解码器分别进行优化设计，通过对解码器中SC、KES、CSEE模块的并行设计[4-5]、流水线处理[6]、降低关键路径，来提升传输速率，降低时延。但随着以太网传输速率提升到800 GB，1.6 TB甚至更高，以太网支持的FEC类型更多，针对每一种FEC解码器进行优化设计的方法产生的效果越来越小，并没有从根本上解决解码资源占用率高、资源利用率低的问题，解码芯片中包含多个独立的解码模块，造成了面积、资源和功耗的浪费。

RS码的多模解码器最早由Hsu Huai-Yi设计[7]，实现了0≤t≤8，0≤n≤255多种RS码的解码。该设计不足之处在于：需要手动配置来更换RS码编解码模式，最大吞吐量仅为3.2 Gb/s，无法适用于超高速以太网。文献[8]中提出了一种适用于Polar码、LDPC码、Turbo、卷积码的多模解码器，支持WiMAX等多种协议，但该设计考虑的是不同种类FEC码之间的融合，没有考虑不同参数RS码的解码器融合问题。

本文针对以上问题，将双模RS解码器的思想引入以太网解码器设计，提出一种能够针对RS（528，514）和RS（544，514）两种FEC编码方式进行解码的双模解码器，同时基于Vivado等软件构建该RS双模解码器设计的仿真测试平台。

1 RS解码原理

以太网中RS解码采用硬判决解码，BM算法及其改进算法由于关键路径短、易于硬件实现，是当前以太网RS解码器硬件设计中的主流算法[9]。

硬判决RS解码器主要包含三个模块：

1）SC模块。根据接收到的码字，SC模块计算求出校验子Si(0≤i≤2t-1)，如果Si全为0，则传输的数据没有产生误码。

2）KES模块。KES模块对SC模块产生的伴随式S(x)进行求解，得到错误多项式Λ(x)和错误值多项式Ω(x)，这一过程称为关键方程求解。

3）CSEE模块。CSEE模块使用钱搜索算法求解出错误多项式Λ(x)，得到每个错误出现的位置，通过Forney公式计算每个位置处码字的错误值。

除了这三个主要模块之外，还有用于存储接收数据的缓存区，RS解码器工作流程如图1所示。

图1 硬判决RS解码器流程

1.1 SC计算

RS解码器输入为接收信息多项式R(x)的各项系数，R(x)=rn-1xn-1+…+r1x+r0，SC模块根据接收码字多项式R(x)计算出校验子Si，公式如下：

如果所有校验子值都为0，表明传输过程中没有发生错误，接收码字多项式R(x)等于发送的码字多项式C(x)；否则表明传输过程中发生了错误。错误多项式表示为：

式中：ejv为错误幅值；xjv表示错误位置；v表示错误个数且0≤v≤t，接收码字R(x)=C(x)+E(x)，将ri=ci+ei代入式（2）可得：

令αjl=βl来指示错误位置，则有：

当0≤v≤t时，2t个方程可以解出2v个未知数β1～βv，ej1～ejv，由此求出错误多项式E(x)与解码输出码字R(x)。当v＞t时，传输过程中发生的错误个数超出了RS(n,k,t)码的纠错能力上限，无法恢复发送端的原始信号。

1.2 关键方程求解

直接求解2t个方程会带来大量的复杂计算，采用间接方法能降低计算复杂度，易于硬件实现。错误位置多项式表示为：

令Λ(x)=0的根为β-1k(k=1,2,…,v)，代入式（5），经过变换：

对k求和：

将式（4）代入式（7）得：

由Ω(x)=S(x)·Λ(x)得：

由式（8）得出式（9）中x次数高于v-1的项系数全为0，而S(x)中Si(i≥t)的项数均为0，因此Ω(x)最高次数不超过2t-1，即：

式（10）称为关键方程[9]，Ω(x)为错误值多项式，满足：

关键方程的求解是RS码解码过程中最关键的步骤，Berlekamp和Massey最早提出BM算法对关键方程求解[10]，此后研究者们不断对BM算法进行改进，提出了无求逆的IBM算法[11]、RIBM算法[12]、ePIBM算法[13]等。

1.3 钱搜索与Forney算法

在完成关键方程求解后，下一步是根据错误位置多项式Λ(x)和错误值多项式Ω(x)计算错误位置和错误值，采用钱搜索算法完成错误位置搜索，通过Forney算法计算出错误值。钱搜索算法对r n-1,rn-2,…,r1,r0依次进行验证，将有限域中的所有元素代入Λ(x)中求解，求出Λ(x)的根，这个遍历GF(2m)域中所有元素求解Λ(x)根的过程就是钱搜索。二进制码可以通过对错误位置进行比特翻转完成解码，但对于多进制码，还必须计算错误位置处的错误值，在得到错误位置之后，借助Forney算法可完成错误值ejl的计算，其公式表示如下（本文中m0取0）：

2 双模RS解码器硬件结构

2.1 设计思路

文献[7]中给出了多模RS解码器的设计思路，属于同一种伽罗华域的RS码，其解码器的各个模块都具有相似性，这为融合设计提供了可能。

当前100 GB以太网FEC的两种规范RS（528，514）码和RS（544，514）码具有共同的域GF(210)，域中每个元素对应的位数和值都相同，因此两者共用一个元素值表。SC模块中RS（528，514）中的校验子计算逻辑是RS（544，514）中计算逻辑的一个子集，后者的校验子计算电路经过修改可以直接用于前者的校验子计算。两种RS码KES模块中的初始值λ，b，γ，k和计算步骤相同。CSEE模块中钱搜索对GF(210)域中全部1 024个元素依次验证，寻找使得Λ(x)=0的根，根的倒数代入式（12）计算错误值。由于RS（528，514）和RS（544，514）共用所有元素，遍历根的过程完全相同。基于以上分析，本文针对以太网中RS（528，514）和RS（544，514）两种FEC解码标准设计了一种通用的RS双模解码器。

2.2 并行双模RS子模块设计

2.2.1 双模SC模块

本文设计的SC模块校验子计算结构包含2t2个SC计算单元PE0，如图2所示。解码器接收到码字后，此模块进行伴随多项式计算，当解码模式为RS（528，514）时，调用其中的t1=14个PE0单元完成校验子计算，RS（544，514）的解码模式下使用全部的t2=30个PE0单元完成30个校验子Si的计算。

图2 双模SC模块校验子计算结构

融合后的SC模块相较于单模解码器，既省去了14个校验子计算单元，又减小了一种解码模式运行时另一套解码模式空闲的资源数量，提高了资源利用率。除此之外，SC计算单元PE0中乘法器输入元素α0～α2t2-1的存储空间同样共享。

p路并行的SC模块每个时钟周期传输p个符号数据，同一时钟内每个PE0需完成p个符号的计算量，即p次加法运算与p次乘法运算，被乘数αi具有规律性，提前计算出所有被乘元素存入矩阵即可在单周期内完成并行计算。

2.2.2 双模KES模块

KES模块随着伴随式的输入，完成计算过程。本文双模KES模块采用IBM算法，KES模块电路结构分为DC和ELU两部分，如图3、图4所示。

图3 KES模块DC结构

图4 KES模块ELU结构

图4中，MC(r)为控制信号，前2t次迭代，DC模块中寄存器存放有SC模块计算的校验子值S1,S2,…,S2t2-1,S0。首次迭代时，ELU模块根据初始值尝试计算出2t个关键方程的解，获得第一次迭代的λi(t)值输入DC模块。经过2t2次迭代后错误位置多项式Λ(x)各阶系数Λi=λi，第2t+1次迭代DC块中寄存器内的值更新为S1,S2,…,St,0,…,0,S0，Λi作为输入历经t次迭代计算出错误值多项式Ω(x)各阶系数Ωj。当工作模式为RS（528，514）时，调用双模KES模块的部分资源完成计算。传统基于IBM的RS解码器3t次迭代需要3t个周期，本文在双模KES模块的基础上设计了流水线结构，采用4个slice，每个时钟周期迭代4次，进一步降低解码时延，其具体结构如图5所示。每个slice包含一个DC模块与ELU模块，同一slice的DC模块中存储Si的寄存器每个时钟周期移位4次。在流水线处理模式下，上一个slice的输出作为下一个slice的输入。采用4个slice的流水线结构虽然会增加额外的资源开销，但是能够缩减KES模块迭代时间，满足以太网中FEC解码器中的传输速率。slice模块受控制信号MC(r)的控制，可以通过设置在RS（528，514）模式下启用2个slice，RS（544，514）模式启用4个slice，使两种模式下KES模块解码周期相同，实现多个使能信号的复用。

图5 基于流水线的双模KES结构

2.2.3 双模CSEE模块

图6a）给出了双模CSEE模块的结构图，每个PE2计算单元包含一个乘法器和一个寄存器，如图6b）所示，使用2t-1个PE2单元完成错误位置与错误值的计算。PE21-PE2t中寄存器存储了KES模块计算的Λi，PE2t+1-PE22t-1中寄存器存储了Ωj。

图6 PE2计算单元结构和双模CSEE模块结构

将GF(210)中所有元素代入式（5）进行验证，如果Λ(αi)=0，则r n-i出现错误。传统CSEE模块时延为n个周期，采用l路并行的方式，可将延时缩短为n l，再经过流水线处理，进一步降低CSEE模块时延。错误位置计算出后，式（12）计算错误值的过程中有求逆运算，为了提高计算速度，将GF(210)中n个元素与其求逆后的值一一对应存入查找表中，将除法操作转换为查找表操作。RS（528，514）码和RS（544，514）码同属于伽罗华域GF(210)，具有相同的本原多项式x10+x3+1，因此同样共用一个查找表。

3 仿真及性能分析

本文实验的仿真部分在Vivado、VCS等平台上进行，基于第2节的双模RS解码器设计了100 GB以太网标准下双模RS解码器，输入为4路80 bit位宽的SerDes并行数据，时钟频率为333 MHz。双模解码器每个时钟周期内输入32个符号数据，RS（544，514）码的每个码字恰好在17个周期内传输完成。为保证双模解码器解码流程的一致性，需提前将RS（528，514）码的每个码字进行预处理，在每个码字最后添加16个符号的数据“0”，补足544个符号，预处理流程开始于SerDes数据传输之前，传统100 GB以太网在将数据送入解码器之前同样会进行预处理，因而本文设计预处理部分不归于双模RS解码器设计，不占用解码器资源。通过硬件描述语言Verilog进行设计，对双模RS解码器进行功能验证，RS（528，514）解码模式的功能验证结果如图7a）所示。其中，rsd_data_i是输入信号，被标记的rsd_data_o为输出信号，rsd_chfr_err_den_i和rsd_chfr_err_num_i分别对应错误位置和错误值，err_mag_o是计算得到的错误图样，men_rd_data_i是存储在FIFO区的输入数据，symb_err_o为错误计数信号。对于添加的7个错误，设计的RTL代码能成功完成纠错，在Testbench频率设置为500 MHz时，RS（528，514）工作模式的时延为31个时钟周期62 ns。

图7b）给出了RS（544，514）解码模式的功能验证结果，输出信号rsd_data_o和插入的15个错误err_mag_o被标出，结果显示成功完成了对接收码字中的15个符号进行纠错，产生的时延为32个时钟周期64 ns。由此推算333 MHz的时钟频率下，两种解码模式的时延分别为93 ns和96 ns，优于文献[4]中的106 ns和166 ns。实验证明，设计的双模RS解码器能够成功实现RS（528，514）和RS（544，514）两种模式的解码。使用Vivado软件平台对双模RS解码器进行综合验证和布局布线仿真，FPGA选择Xilinx公司Virtex UltraScale+HBM系列xcvu35pfsvh2892-3-e，I/O标准选择LVCMOS12。对100 GB以太网下集成两种单模RS解码模块的传统以太网RS解码器同样进行仿真测试。为了对比公平性，参考文献[4]的设计思路撰写了两种单模解码器的RTL代码，保持与本文双模RS解码器代码风格、内部功能模块一致性。选择输入并行数p=32，每个周期传输32个符号的数据，时钟周期同为333 MHz。表1给出了100 GB以太网双模RS解码器与传统RS解码器[4]资源开销对比。

图7 RS(528，514)、RS(544,514)码功能验证

结果表明，使用传统方法设计的RS解码器资源消耗为118 962个LUT，10 100个FF，本文设计的双模RS解码器消耗80 518个LUT，6 309个FF，分别减小了32.32%的LUT与37.53%的FF资源开销。各个子模块之间的使用资源对比同样在表1中给出，相比于传统RS解码器，SC、KES、CSEE模块LUT开销分别降低了28.11%，22.32%，34.45%，FF开销分别降低了31.94%，29.10%，44.60%。双模RS解码器不仅降低了资源开销，还减少了解码器中空闲资源数量。传统解码器中两种解码实例独立存在，没有共用的资源和内存，以RS（528，514）的解码模式为例，RS（544，514）工作模式的资源处于空闲状态，实际上的资源利用率不到50%。双模RS解码器各个子模块之间存在资源共享、内存共享，工作时空闲的资源更少，减小了静态功耗。

表1 双模RS解码器资源使用情况

表2所示为双模RS解码器与传统解码器的功耗情况，通过对比，本文设计的双模RS解码器至少能降低17.34%的功耗。

表2 双模RS解码器功耗对比

当前100 GB及以上以太网FEC编解码规范只有RS（528，514）和RS（544，514）两种，事实上，本文设计中的双模RS解码器不仅能实现这两种工作模式的解码，而且对于满足元素域为GF(210)，n≤544，t≤15的任意RS(n,k,t)码，此设计都能在现有的资源下实现前向纠错功能。综上，本文设计中的双模RS解码器不仅能解决当前100 GB以上以太网中RS（528，514）和RS（544，514）两套解码模块资源不能共享的问题，还具有可扩展性，当更高速率以太网采用RS码作为FEC标准时，该设计思路同样有效。

4 结 论

本文提出一种面向超高速以太网的双模RS解码器设计，通过对各子模块进行理论分析与优化设计，实现不同工作模式下资源复用和部分内存共享，达到降低资源开销和功耗的目的。实验部分通过硬件描述语言Verilog构建100 GB以太网下的双模RS解码器，在Vivado等平台上进行仿真验证。实验结果表明，该双模RS解码器相对于集成了两个单模RS解码模块的传统FEC解码器至少降低了32.32%的LUT与37.53%的FF资源开销，以及17.34%的功耗。