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PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試(下篇:實(shí)踐篇)

發(fā)布時(shí)間:2020-04-09 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】聚焦于PCIe 3.0和4.0中的動(dòng)態(tài)均衡技術(shù),本文介紹其原理、實(shí)現(xiàn)及其相關(guān)的一致性測試,這種動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)被稱作“Link Equalization”(鏈路均衡,簡稱為LEQ)。本系列文章分上下兩篇,本文是下篇實(shí)踐篇,重點(diǎn)介紹Rx鏈路均衡的測試和調(diào)試,泰克公司的自動(dòng)化軟件為此提供了業(yè)界最優(yōu)的解決方案。
  
聚焦于PCIe 3.0和4.0中的動(dòng)態(tài)均衡技術(shù),本文介紹其原理、實(shí)現(xiàn)及其相關(guān)的一致性測試,這種動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)被稱作“Link Equalization”(鏈路均衡,簡稱為LEQ)。本系列文章分上下兩篇,本文是下篇實(shí)踐篇,重點(diǎn)介紹Rx鏈路均衡的測試和調(diào)試,泰克公司的自動(dòng)化軟件為此提供了業(yè)界最優(yōu)的解決方案。

另外,泰克PCI Express專家David Bouse將在4月10日(周五)13:00-16:00直播課堂【PCI Express 5.0規(guī)范更新解讀和測試揭秘】講解如何解決PCIe 5.0的新測試挑戰(zhàn)https://info.tek.com/cn-pcie-mofu.html。

接收端鏈路均衡測試(Rx LEQ)

在PCIe 2.0的時(shí)代,通常只要保證了發(fā)送端的信號質(zhì)量,那么整個(gè)系統(tǒng)也就能夠正常工作;因此接收端測試并不是必測項(xiàng)。但在PCIe 3.0/4.0中,由于速率成倍的增加;并且又經(jīng)過長走線的傳輸,因此在接收端采用了復(fù)雜的均衡技術(shù);因此在PCIe 3.0/4.0中接收端測試屬于必測項(xiàng)。

泰克公司的BSX系列的誤碼儀是業(yè)界高性能的串行誤碼儀,能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)32Gbps的碼型發(fā)生和誤碼分析功能,同時(shí)其內(nèi)部集成有預(yù)加重模塊、噪聲注入、抖動(dòng)注入等,支持基于協(xié)議的握手功能。因此非常適合PCIe 3.0和4.0的接收端測試。由于BSX系列最高支持到32Gbps,因此它也可以充分地滿足未來的PCIe 5.0的接收端測試的要求。圖1是使用BSX系列的誤碼儀進(jìn)行PCIe 3.0d的接收端測試的示意圖。
  
PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試(下篇:實(shí)踐篇)
圖1 PCIe 3.0的接收端測試的示意圖

在PCIe 3.0 & 4.0的接收端內(nèi)部集成了復(fù)雜的單元,例如:均衡電路、時(shí)鐘恢復(fù)電路、以及判決電路等;它們都是不能直接探測到的。因此,接收端對于測試人員來說,是一個(gè)黑盒子。PCI-SIG協(xié)會(huì)的規(guī)范開發(fā)人員,在面臨此種困難時(shí),開發(fā)了一套被稱作“壓力眼圖(Stressed Eye)”的方法論來完成對接收端的評估。這種方法論的核心思想就是:通過向接收端施加一個(gè)嚴(yán)重劣化的信號(即壓力眼圖),來檢測在此種情況下,接收端是否仍能夠正確地接收信號。因此,無論是PCIe 3.0 & 4.0 Rx LEQ的測試,基本上都可以分解成三個(gè)步驟:壓力眼圖的校準(zhǔn)、進(jìn)入環(huán)回模式、進(jìn)行誤碼率測試。

壓力眼圖的校準(zhǔn)就是:定量地規(guī)定這個(gè)劣化信號劣化到何種程度、以及測量該劣化信號的方法;

進(jìn)入環(huán)回模式:為了檢測接收端是否正確接收該信號;需要將已經(jīng)接收到的信號原封不動(dòng)地環(huán)回到待測的發(fā)送端;然后誤碼儀對這個(gè)環(huán)回的信號進(jìn)行判斷。因此需要讓待測進(jìn)入環(huán)回模式;

進(jìn)行誤碼率測試:使用規(guī)定好的碼型進(jìn)行誤碼率測試。

在壓力眼圖的校準(zhǔn)時(shí),涉及到信號的特性分析以及調(diào)整迭代,這些都需要反復(fù)進(jìn)行,人工手動(dòng)操作非常地耗時(shí),并且吃力不討好。為此,泰克公司提供了業(yè)界最優(yōu)的PCIe Rx自動(dòng)化測試軟件(BSXPCI4CEM),如圖2所示。通過泰克公司的PCIe Rx自動(dòng)化測試軟件,可以大大縮短開發(fā)人員的研發(fā)時(shí)間,提供產(chǎn)品的可靠性。

PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試(下篇:實(shí)踐篇)
圖2 泰克PCIe Rx自動(dòng)化軟件GUI界面

對于這個(gè)壓力眼圖惡劣到何種程度,必須要進(jìn)行精確地定量地描述,因此在PCIe的規(guī)范中,給出了這個(gè)壓力眼圖的要求。無論是PCIe 3.0還是PCIe 4.0,校準(zhǔn)過程都分為兩個(gè)階段:

?   TP1校準(zhǔn):TP1指的是整個(gè)參考信道的近端,在該處校準(zhǔn)幅度、隨機(jī)抖動(dòng)Rj、正弦抖動(dòng)Sj、以及Tx EQ。

?   TP2校準(zhǔn):TP2指的是整個(gè)參考信道的遠(yuǎn)端,在該處校準(zhǔn)DMSI、CMSI、以及最終的眼高/眼寬。

無論是PCIe 3.0,還是PCIe 4.0,TP1的校準(zhǔn)過程都是一樣的,而且較為簡單;不區(qū)分待測對象是插卡還是系統(tǒng)板,整個(gè)拓?fù)溥B接如圖3所示。

PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試(下篇:實(shí)踐篇)
圖3 PCIe 3.0 & 4.0的TP1校準(zhǔn)拓?fù)溥B接

TP2校準(zhǔn)則連接較為復(fù)雜,耗時(shí)較長;并且對于插卡和系統(tǒng)板來說,拓?fù)溥B接是不同的。而且在PCIe 3.0和PCIe 4.0中,TP2校準(zhǔn)的策略有所不同。在PCIe 3.0中,是通過調(diào)整DMSI和Rj來達(dá)到最終的眼高/眼寬。而在PCIe 4.0中,則主要通過調(diào)整ISI來使得眼圖接近最終的眼高/眼寬,這一過程為粗調(diào);然后再通過調(diào)整Sj、DMSI、或幅度來獲得最終的眼圖,這一過程為細(xì)調(diào)。

PCIe 3.0的TP2校準(zhǔn)的拓?fù)溥B接如圖4所示。對于插卡的校準(zhǔn)來說,在其拓?fù)溥B接中采用的是兩連接頭的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),這是為了模擬真實(shí)的服務(wù)器背板的惡劣信道情況。整個(gè)參考信道是由圖4(a)中的物理參考信道和SigTest通過軟件嵌入的信道兩部分組成。

PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試(下篇:實(shí)踐篇)
  (a)                                                                                                                   (b)
圖4 PCIe 3.0 TP2校準(zhǔn)拓?fù)溥B接:(a) 插卡的校準(zhǔn)  (b) 系統(tǒng)板的校準(zhǔn)

完成了拓?fù)溥B接之后,就可以進(jìn)行PCIe 3.0的TP2的校準(zhǔn)了。在最終眼高/眼寬的校準(zhǔn)過程,通過調(diào)整Rj和DMSI,來達(dá)到最終的眼高/眼寬要求。這里存在的風(fēng)險(xiǎn)是:有時(shí)候協(xié)會(huì)提供的治具一致性較差;需要很大的Rj或DMSI才能夠達(dá)到最終的眼高/眼寬要求。而這并不符合在真實(shí)的情況下的Rj和DMSI的情況。

因此在PCIe 4.0中TP2的校準(zhǔn)修改了相應(yīng)的校準(zhǔn)策略,引入了一個(gè)ISI板,優(yōu)先來調(diào)節(jié)參考信道的ISI值,來對眼圖進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)眼圖接近到最終的眼高/眼寬附近時(shí),再通過調(diào)整DMSI,Sj和幅度來達(dá)到最終的眼高/眼寬,并且DMSI,Sj和幅度的調(diào)整范圍做了限制,從而能夠比較真實(shí)地模擬現(xiàn)實(shí)中的情況。

PCIe 4.0的TP2校準(zhǔn)的拓?fù)溥B接如圖5所示。與PCIe 3.0相比,除了參考信道的末端嵌入了一個(gè)封裝損耗之外,其他的信道都是由真實(shí)的物理信道組成的。并且由于速率翻倍,在拓?fù)溥B接中,鏈路損耗的估算時(shí)必須要將連接線纜等的損耗計(jì)入在內(nèi)。值得注意的是:封裝損耗是在示波器之中嵌入的,而不是在SigTest中。這個(gè)參考封裝損耗是為了模擬真實(shí)情況下的芯片封裝損耗,由于RC芯片(Root Complex)的封裝一般比EP芯片(Endpoint)的封裝要大,因此針對RC的參考封裝損耗為5dB;而針對EP的參考封裝損耗為3dB。

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 (a)                                                                                                                             (b)
圖5 PCIe 4.0 TP2校準(zhǔn)拓?fù)溥B接:(a) 插卡的校準(zhǔn)  (b) 系統(tǒng)板的校準(zhǔn)

如前所述,在PCIe 4.0的校準(zhǔn)過程中,需要參考信道的ISI值,這就涉及到一個(gè)ISI pair的迭代過程,整個(gè)迭代過程的起點(diǎn)是-28 dB的端到端的損耗,依據(jù)計(jì)算出來的眼高/眼寬來確定下一個(gè)ISI pair;端到端的損耗調(diào)整范圍為-27 dB ~ 30dB。泰克公司的PCIe Rx自動(dòng)化軟件能夠提供鏈路端到端損耗的估算,用戶可以自行決定是否繼續(xù)進(jìn)行ISI迭代。

進(jìn)入環(huán)回模式

LEQ的測試對測試儀器提出了很高的要求。它要求測試儀器能夠完成協(xié)議級別的動(dòng)態(tài)應(yīng)答和訓(xùn)練。在工業(yè)界中,一般稱這樣的儀器為“協(xié)議感知”型儀器(Protocol-aware Instrument)。

泰克公司的BSX系列誤碼儀就是這樣的一種協(xié)議感知型儀器,支持的速率最高可到32Gbps;可以支持多種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,例如PCIe 3.0 & 4.0 & 5.0、USB 3.1 & 3.2等。另外,用戶還可以通過自帶的Pattern Sequencer功能完成各種自主開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)的測試。

PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試(下篇:實(shí)踐篇)
圖6 泰克公司的協(xié)議感知型誤碼儀:BSX系列

對于PCIe 3.0 & 4.0來說,從狀態(tài)機(jī)的角度,有兩種方式進(jìn)入環(huán)回模式,如圖7所示:

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   (a)                                                                                                                         (b)
圖 7 PCIe 3.0&4.0進(jìn)入環(huán)回模式:(a)從Configuration進(jìn)入 (b)從Recovery進(jìn)入

進(jìn)行誤碼率測試

若成功了進(jìn)入了Loopback,那么后續(xù)的誤碼率測試就很簡單。誤碼儀發(fā)送Modified Compliance Pattern,檢查1012個(gè)比特?cái)?shù)據(jù);若不超過1個(gè)誤碼;那么就算通過;否則就未通過。

診斷和調(diào)試

在實(shí)際的Rx LEQ的測試中,經(jīng)常由于種種原因,無法進(jìn)入到環(huán)回模式;或者就算進(jìn)入到了環(huán)回模式,也存在較多的誤碼。這個(gè)時(shí)候,我們就需要超出一致性測試;而進(jìn)行一系列的調(diào)試工作,來找出根因(Root Cause)。

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圖8 使用誤碼儀的眼圖功能觀測待測對象的環(huán)回?cái)?shù)據(jù)輸出的信號質(zhì)量

泰克公司PCIe Rx自動(dòng)化測試軟件,除了提供協(xié)會(huì)所要求的一致性測試之外,還提供了豐富的調(diào)試功能。再配合上BSX系列的誤碼儀的通用調(diào)試功能,能夠?yàn)橛脩籼峁┤轿坏撵`活性。

在進(jìn)行Rx LEQ環(huán)回測試時(shí),有兩條數(shù)據(jù)通路:接收數(shù)據(jù)通路和環(huán)回?cái)?shù)據(jù)通路。由于Rx LEQ是針對接收數(shù)據(jù)通路的測試,因此用戶必須保證不會(huì)由于環(huán)回?cái)?shù)據(jù)通路的原因而導(dǎo)致誤碼儀的DET進(jìn)行了誤判。泰克的BSX系列的誤碼儀具有豐富的眼圖測試功能,如圖8所示。這樣用戶再不進(jìn)行任何拓?fù)溥B接改變的情況下,就能夠進(jìn)行誤碼的調(diào)試。

用戶可以使用泰克公司提供的“Empty A – Modified Compliance B.ram”文件,就能夠使得被測對象穩(wěn)定地進(jìn)入Compliance模式,然后通過這個(gè)ran文件進(jìn)行碼型切換,將被測對象的輸出端切換到8Gbps或16Gbps,觀察哪個(gè)預(yù)設(shè)定值能夠給出最好的眼圖。然后在圖9中設(shè)置“Preset/Hint”成剛才的預(yù)設(shè)置,就能夠保證環(huán)回?cái)?shù)據(jù)通路不會(huì)引入誤判的誤碼。

倘若排除了環(huán)回?cái)?shù)據(jù)通路所引入的誤判的誤碼;Rx LEQ仍然存在誤碼。這個(gè)時(shí)候,用戶需要進(jìn)一步分析誤碼的來源,比如說是否是DUT的均衡算法沒有達(dá)到最優(yōu),從而沒有像鏈路對端請求最優(yōu)的Tx EQ值。此時(shí),用戶可以使用泰克公司提供的“BER Test”來對整個(gè)系數(shù)空間進(jìn)行掃描,若測得的結(jié)果表明:在系數(shù)空間中存在一些系數(shù)組合能夠達(dá)到?jīng)]有誤碼,那么說明DUT的均衡算法未達(dá)到最優(yōu)。

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圖9 對Tx EQ的系數(shù)空間進(jìn)行掃描的誤碼率測試

在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行裕度測試。泰克的自動(dòng)化軟件提供對Sj和DMSI的裕度測試,如圖10、11所示。

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圖 10  正弦抖動(dòng)的裕度測試:(a) 設(shè)定界面  (b) 掃描測試界面

PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試(下篇:實(shí)踐篇)
圖 11 差模噪聲的裕度測試:(a) 設(shè)定界面  (b) 掃描測試界面

泰克公司提供了業(yè)界領(lǐng)先的關(guān)于PCIe 3.0 & 4.0的一致性解決方案,通過使用泰克公司的高性能的示波器、高性能的誤碼儀、以及靈活的自動(dòng)化軟件,能夠大大縮短用戶的開發(fā)時(shí)間,使得用戶的產(chǎn)品在市場上更具競爭力。

關(guān)于泰克科技
泰克公司總部位于美國俄勒岡州畢佛頓市,致力提供創(chuàng)新、精確、操作簡便的測試、測量和監(jiān)測解決方案,解決各種問題,釋放洞察力,推動(dòng)創(chuàng)新能力。70多年來,泰克一直走在數(shù)字時(shí)代前沿。
 (來源:泰克科技應(yīng)用工程師,作者:李煜)


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