PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測(cè)試
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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(cè)試，這種動(dòng)態(tài)均衡技術(shù)被稱(chēng)作“Link Equalization”（鏈路均衡，簡(jiǎn)稱(chēng)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(cè)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。
本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/202004/411843.htm在PCIe 2.0的時(shí)代，通常只要保證了發(fā)送端的信號(hào)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(cè)試并不是必測(cè)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(guò)長(zhǎng)走線(xiàn)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(cè)試屬于必測(cè)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(cè)試。由于BSX系列最高支持到32Gbps，因此它也可以充分地滿(mǎn)足未來(lái)的PCIe 5.0的接收端測(cè)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(cè)試的示意圖。
圖1 PCIe 3.0的接收端測(cè)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(cè)到的。因此，接收端對(duì)于測(cè)試人員來(lái)說(shuō)，是一個(gè)黑盒子。PCI-SIG協(xié)會(huì)的規(guī)范開(kāi)發(fā)人員，在面臨此種困難時(shí)，開(kāi)發(fā)了一套被稱(chēng)作“壓力眼圖（Stressed Eye）”的方法論來(lái)完成對(duì)接收端的評(píng)估。這種方法論的核心思想就是：通過(guò)向接收端施加一個(gè)嚴(yán)重劣化的信號(hào)（即壓力眼圖），來(lái)檢測(cè)在此種情況下，接收端是否仍能夠正確地接收信號(hào)。因此，無(wú)論是PCIe 3.0 & 4.0 Rx LEQ的測(cè)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(cè)試。
● 壓力眼圖的校準(zhǔn)就是：定量地規(guī)定這個(gè)劣化信號(hào)劣化到何種程度、以及測(cè)量該劣化信號(hào)的方法；
● 進(jìn)入環(huán)回模式：為了檢測(cè)接收端是否正確接收該信號(hào)；需要將已經(jīng)接收到的信號(hào)原封不動(dòng)地環(huán)回到待測(cè)的發(fā)送端；然后誤碼儀對(duì)這個(gè)環(huán)回的信號(hào)進(jìn)行判斷。因此需要讓待測(cè)進(jìn)入環(huán)回模式；
● 進(jìn)行誤碼率測(cè)試：使用規(guī)定好的碼型進(jìn)行誤碼率測(cè)試。
在壓力眼圖的校準(zhǔn)時(shí)，涉及到信號(hào)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(cè)試軟件 （BSXPCI4CEM） ，如圖2所示。通過(guò)泰克公司的PCIe Rx自動(dòng)化測(cè)試軟件，可以大大縮短開(kāi)發(fā)人員的研發(fā)時(shí)間，提供產(chǎn)品的可靠性。
圖2 泰克PCIe Rx自動(dòng)化軟件GUI界面
對(duì)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(wú)論是PCIe 3.0還是PCIe 4.0，校準(zhǔn)過(guò)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(wú)論是PCIe 3.0，還是PCIe 4.0，TP1的校準(zhǔn)過(guò)程都是一樣的，而且較為簡(jiǎn)單；不區(qū)分待測(cè)對(duì)象是插卡還是系統(tǒng)板，整個(gè)拓?fù)溥B接如圖3所示。
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(zhǎng)；并且對(duì)于插卡和系統(tǒng)板來(lái)說(shuō)，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(guò)調(diào)整DMSI和Rj來(lái)達(dá)到最終的眼高/眼寬。而在PCIe 4.0中，則主要通過(guò)調(diào)整ISI來(lái)使得眼圖接近最終的眼高/眼寬，這一過(guò)程為粗調(diào)；然后再通過(guò)調(diào)整Sj、DMSI、或幅度來(lái)獲得最終的眼圖，這一過(guò)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(duì)于插卡的校準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，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(guò)軟件嵌入的信道兩部分組成。
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| (a) |
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| (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(guò)程，通過(guò)調(diào)整Rj和DMSI，來(lái)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(lái)調(diào)節(jié)參考信道的ISI值，來(lái)對(duì)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(guò)調(diào)整DMSI，Sj和幅度來(lái)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(xiàn)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(duì)RC的參考封裝損耗為5dB；而針對(duì)EP的參考封裝損耗為3dB。
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| (a) |
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| (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(guò)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(guò)程，整個(gè)迭代過(guò)程的起點(diǎn)是-28 dB的端到端的損耗，依據(jù)計(jì)算出來(lái)的眼高/眼寬來(lái)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(hù)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(cè)試對(duì)測(cè)試儀器提出了很高的要求。它要求測(cè)試儀器能夠完成協(xié)議級(jí)別的動(dòng)態(tài)應(yīng)答和訓(xùn)練。在工業(yè)界中，一般稱(chēng)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(hù)還可以通過(guò)自帶的Pattern Sequencer功能完成各種自主開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試。
圖6 泰克公司的協(xié)議感知型誤碼儀：BSX系列
對(duì)于PCIe 3.0 & 4.0來(lái)說(shuō)，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） |
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| （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(cè)試
若成功了進(jìn)入了Loopback，那么后續(xù)的誤碼率測(cè)試就很簡(jiǎn)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(guò)1個(gè)誤碼；那么就算通過(guò)；否則就未通過(guò)。
診斷和調(diào)試
在實(shí)際的Rx LEQ的測(cè)試中，經(jīng)常由于種種原因，無(wú)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(cè)試；而進(jìn)行一系列的調(diào)試工作，來(lái)找出根因（Root Cause）。
圖8 使用誤碼儀的眼圖功能觀測(cè)待測(cè)對(duì)象的環(huán)回?cái)?shù)據(jù)輸出的信號(hào)質(zhì)量
泰克公司PCIe Rx自動(dòng)化測(cè)試軟件，除了提供協(xié)會(huì)所要求的一致性測(cè)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?hù)提供全方位的靈活性。
在進(jìn)行Rx LEQ環(huán)回測(cè)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(duì)接收數(shù)據(jù)通路的測(cè)試，因此用戶(hù)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(cè)試功能，如圖8所示。這樣用戶(hù)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(hù)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(cè)對(duì)象穩(wěn)定地進(jìn)入Compliance模式，然后通過(guò)這個(gè)ran文件進(jìn)行碼型切換，將被測(cè)對(duì)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(hù)需要進(jìn)一步分析誤碼的來(lái)源，比如說(shuō)是否是DUT的均衡算法沒(méi)有達(dá)到最優(yōu)，從而沒(méi)有像鏈路對(duì)端請(qǐng)求最優(yōu)的Tx EQ值。此時(shí)，用戶(hù)可以使用泰克公司提供的“BER Test”來(lái)對(duì)整個(gè)系數(shù)空間進(jìn)行掃描，若測(cè)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(shuō)明DUT的均衡算法未達(dá)到最優(yōu)。
圖9 對(duì)Tx EQ的系數(shù)空間進(jìn)行掃描的誤碼率測(cè)試
在此基礎(chǔ)上還可以進(jìn)行裕度測(cè)試。泰克的自動(dòng)化軟件提供對(duì)Sj和DMSI的裕度測(cè)試，如圖10、11所示。
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| （a） |
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| （b） |
圖 10 正弦抖動(dòng)的裕度測(cè)試：(a) 設(shè)定界面 (b) 掃描測(cè)試界面
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| （a） |
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| （b） |
圖 11 差模噪聲的裕度測(cè)試：(a) 設(shè)定界面 (b) 掃描測(cè)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(guò)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(hù)的開(kāi)發(fā)時(shí)間，使得用戶(hù)的產(chǎn)品在市場(chǎng)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。
評(píng)論