高速串行數(shù)據(jù)鏈路自動(dòng)化一致性測試研究

引言

每一位從286時(shí)代就開始接觸PC的朋友一定能深刻體會(huì)到計(jì)算機(jī)技術(shù)飛躍進(jìn)步給我們的生活和工作帶來的便利性，這些技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在CPU的主頻越來越高，存儲(chǔ)器容量越來越大，以及芯片與芯片、模塊與模塊、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互連總線的數(shù)據(jù)傳輸率也越來越快。圖1描述了一塊典型的計(jì)算機(jī)主板，其上運(yùn)轉(zhuǎn)的總線類型可能包括以太網(wǎng)、USB、PCIExpress、SAS、HDMI、SATA、FBDIMM和UWB等。這些總線結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是：①都是串行數(shù)據(jù)鏈路，發(fā)送和接收采用兩對(duì)差分信號(hào)線傳輸，沒有單獨(dú)的時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)格式已包含了時(shí)鐘；②數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，能達(dá)到Gb/s甚至10Gb/s速率級(jí)別以上，因而串行數(shù)據(jù)也是設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮的問題；③同一總線上的多個(gè)接口器件（或模塊）很有可能由不同廠家制造，不同的電路原理、不同的PCB、不同的制造工藝，但卻要運(yùn)行在相同的總線架構(gòu)中，因此如何保證不同廠家器件的操作一致性是電子工程師必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。

圖1 計(jì)算機(jī)主板上的典型總線標(biāo)準(zhǔn)

沒有規(guī)矩，不成方圓。各個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織為促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，制定了相應(yīng)的測試規(guī)范，要求進(jìn)行認(rèn)證的產(chǎn)品都必須完成指定項(xiàng)目參數(shù)的測試測量。例如，IEEE802.3分委員會(huì)專門制定了

10BaseT/100BaseT/1000BaseT三種速率級(jí)別以太網(wǎng)電接口的測試標(biāo)準(zhǔn)，定義了幾十個(gè)測量參數(shù)的合格范圍，包括眼圖模板、抖動(dòng)、上升時(shí)間、差分輸出電平等。如果設(shè)計(jì)的總線產(chǎn)品經(jīng)專門設(shè)備測量后，所有參數(shù)均符合規(guī)范要求，則認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)是合格的，并能與其他廠家互相兼容的，這個(gè)過程稱為“一致性測試”。又比如USBIF組織針對(duì)USB2.0接口的一致性測試也制定了完整的規(guī)范，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的USB2.0產(chǎn)品經(jīng)測試后，必須全部符合規(guī)范要求，才被允許打上USB2.0標(biāo)志，才能被其他客戶認(rèn)可。

高速串行數(shù)據(jù)鏈路的一致性測試是個(gè)復(fù)雜的課題，既要求測試設(shè)備廠家能提供高性能的儀器，又要求測試工程師能充分利用儀器去解決問題。大家都希望儀器是我們解決問題的一部分，而不是問題本身的一部分。美國力科公司在數(shù)字示波器和串行數(shù)據(jù)分析儀平臺(tái)上提出了“自動(dòng)化測試”的概念，為多個(gè)串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)一致性測試提供完整的解決方案，包括最新的數(shù)字示波器和串行數(shù)據(jù)分析儀，能支持最高18GHz模擬帶寬、60GS/s實(shí)時(shí)采樣率。作為解決方案的一部分，力科還推出了自動(dòng)化一致性測試軟件包QualiPHY，致力于提高工作效率，降低工程師操作儀器和生成報(bào)告的復(fù)雜度，讓工程師不會(huì)再覺得一致性測試是枯燥無味的任務(wù)。下文向大家介紹QualiPHY是如何幫助工程師應(yīng)對(duì)高速串行數(shù)據(jù)鏈路測試面臨的挑戰(zhàn)的。

圖2 100Base-T過沖測試的示波器設(shè)置要求

一致性測試的難點(diǎn)

目前，進(jìn)行串行數(shù)據(jù)鏈路一致性測試的主要儀器平臺(tái)是高速數(shù)字示波器或串行數(shù)據(jù)分析儀（如力科公司的SDA），工程師在利用這些設(shè)備進(jìn)行測試時(shí)，普遍面臨下面介紹的困難。

1 如何掌握測試標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容

隨著串行總線技術(shù)的日益進(jìn)步，信號(hào)完整性成為設(shè)計(jì)師最頭疼的問題，包括串?dāng)_、EMI、抖動(dòng)、反射、封裝噪聲、偏移和靜電等，這些問題對(duì)設(shè)計(jì)、測試同樣重要。各種串行總線的一致性測試標(biāo)準(zhǔn)均定義了以適應(yīng)高速信號(hào)龐大的信號(hào)完整性分析需求。例如，100BaseT的一致性測試規(guī)范要求測量眼圖、抖動(dòng)、上升/下降時(shí)間、過沖/下沖、差分輸出電平、高低電平對(duì)稱性、占空比偏移等；USB2.0一致性測試規(guī)范對(duì)HighSpeed的Device分析也定義了幾十個(gè)參數(shù)。每一種參數(shù)的測量對(duì)于示波器的使用都定義了設(shè)置參數(shù)，如圖2所示就是以太網(wǎng)一致性測試對(duì)過沖參數(shù)測量的示波器設(shè)置要求。

測試規(guī)范對(duì)每種參數(shù)都有適用范圍，實(shí)際測量值必須落在這個(gè)范圍才被判定為合格。

所以，測試工程師既需要掌握完整的測試參數(shù)列表，又需要了解每種參數(shù)對(duì)應(yīng)的示波器工作狀態(tài)，還需要清楚每個(gè)參數(shù)的合格測量范圍。這是非常復(fù)雜的工作。

2 如何設(shè)置測試環(huán)境

串行數(shù)據(jù)的信號(hào)質(zhì)量分析和一致性測試一般都離不開測試夾具的輔助。夾具的主要作用是在不同的信號(hào)形式之間相互轉(zhuǎn)換，比如以太網(wǎng)測試夾具就是將雙絞線信號(hào)轉(zhuǎn)換成探頭信號(hào)。每個(gè)測量項(xiàng)目都需要測試夾具、被測器件和示波器三者之間建立合適的互連拓?fù)潢P(guān)系，準(zhǔn)確掌握所有連接關(guān)系也是非常困難的事情。

圖3 USB2.0測試項(xiàng)目定制窗口

3 對(duì)儀器操作不是很熟悉

串行數(shù)據(jù)總線技術(shù)的飛速進(jìn)步對(duì)示波器的性能提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也使得現(xiàn)代高端示波器的操作復(fù)雜度也日益加大，記住一致性測試規(guī)程中的每個(gè)步驟，示波器該如何操作，是非常不容易的事。

4 如何生成測試報(bào)告

每個(gè)硬件工程師都有這種切身體會(huì)，編寫測試報(bào)告是非常費(fèi)神費(fèi)時(shí)的工作。需要收集測量結(jié)果、對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來分析某個(gè)測量參數(shù)是否合格，保存關(guān)鍵波形畫面并貼到報(bào)告中去，如果測試參數(shù)多達(dá)幾十個(gè)，比如USB2.0測試，那工作量將是非常巨大的。

5 串行數(shù)據(jù)協(xié)議類型比較多

計(jì)算技術(shù)的不斷普及和內(nèi)容需求的迅猛增長都需要更快的數(shù)字通路，目前PCI Express、SATA、HDMI、SAS等串行數(shù)據(jù)總線架構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字環(huán)境中，而且更快速的PCIExpress2.0、HDMI1.3、SATAIII等第二代和第三代總線架構(gòu)也已經(jīng)開始出現(xiàn)或正在研發(fā)過程中，再加上更為普遍的Ethernet和USB2.0，串行總線協(xié)議的類型越來越豐富，對(duì)測試工程師的要求也越來越高。不同協(xié)議測試的切換都意味著重新開始學(xué)習(xí)。

QualiPHY軟件特性

針對(duì)高速數(shù)字系統(tǒng)工程師在進(jìn)行串行總線一致性測試時(shí)面臨的難題，美國力科公司推出了功能強(qiáng)大、易于使用的QualiPHY軟件包，下面從幾個(gè)方面介紹該軟件如何幫助工程師解決這些一致性測試難題。

圖4 SATA I 1.5Gb/s 一致性自動(dòng)化測試過程示意

1 用戶可定制測量項(xiàng)目

完整的一致性測試包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)項(xiàng)目，但不是每次測試都要遍歷全部項(xiàng)目。

QualiPHY軟件支持用戶可定制化測試項(xiàng)目，可以選擇單個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目分別測試，從而大大提高了靈活性。圖3描述的是USB2.0 High Speed的DeviceorHub測試項(xiàng)目定制窗口。

2 自動(dòng)化測試

根據(jù)選擇好的測試項(xiàng)目，QualiPHY隨即展開一系列自動(dòng)化測試過程：自動(dòng)設(shè)置示波器工作參數(shù)包括采樣率、存儲(chǔ)深度、采集時(shí)間、縱軸刻度、觸發(fā)電平等；自動(dòng)定義測量參數(shù)；自動(dòng)調(diào)用第三方軟件如Matlab對(duì)波形運(yùn)算，自動(dòng)分析波形和測量結(jié)果，自動(dòng)輸出分析結(jié)果，整個(gè)測試過程完全是自動(dòng)化的，無須任何人工干預(yù)。在測試過程中會(huì)同步顯示測試狀態(tài)和過程提示。

QualiPHY軟件針對(duì)工程師操作示波器進(jìn)行一致性測試的使用特點(diǎn)而優(yōu)化自動(dòng)化測試流程，有效提高了一致性測試效率，并大大降低了操作儀器難度和重復(fù)勞動(dòng)量，使得測試過程充滿樂趣而不再是枯燥無味的任務(wù)，因而一推出即深受工程師的喜愛。圖4是SATA一致性自動(dòng)測試界面。

3 圖表化提示

QualiPHY軟件的用戶界面設(shè)計(jì)非常人性化和直觀實(shí)用，它會(huì)以圖表化的方式顯示出一致性測試的每個(gè)環(huán)節(jié)中測試夾具、示波器主機(jī)和DUT三者之間的拓?fù)潢P(guān)系，使用者無須記憶，就能正確設(shè)置測試環(huán)境。

4 自動(dòng)分析測量數(shù)據(jù)

示波器采集波形后，并按規(guī)范測量參數(shù)后，QualiPHY軟件會(huì)自動(dòng)將其與標(biāo)準(zhǔn)做對(duì)比，并輸出此參數(shù)通過或失敗的結(jié)論。圖5展示了QualiPHY軟件包對(duì)10BaseT峰值差分輸出電壓分析的結(jié)果，實(shí)際測量值為2.52V，802.3標(biāo)準(zhǔn)合格范圍是2.20～2.80V，顯然此參數(shù)測試通過。

5 集成多種串行數(shù)據(jù)協(xié)議

QualiPHY軟件集成了多種串行協(xié)議，包括流行的SATA、UWB、PCIE、SAS、FBDIMM、HDMI、USB、ENET等。不同的串行協(xié)議采用相同的用戶界面和操作方法，工程師無須重復(fù)學(xué)習(xí)，舉一反三即可快速掌握全部協(xié)議的一致性測試流程。

6 自動(dòng)輸出報(bào)告

QualiPHY軟件在完成所有指定項(xiàng)目的測量和分析任務(wù)后，會(huì)自動(dòng)生成美觀、實(shí)用、符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的測試報(bào)告，報(bào)告格式可以選擇是XML、HTML或PDF格式。節(jié)省了編寫測試報(bào)告的時(shí)間，工程師就可以把更多精力放在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，而不是測試上。

圖6 QualiPHY系統(tǒng)設(shè)置

QualiPHY系統(tǒng)設(shè)置

QualiPHY軟件包支持多種串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，既可以直接運(yùn)行在數(shù)字示波器上，也可以運(yùn)行在其他計(jì)算機(jī)上。推薦的執(zhí)行方式是單獨(dú)運(yùn)行在一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)上，通過TCP/IP協(xié)議與測試示波器建立通信連接。這樣做的主要好處是示波器上顯示波形，QualiPHY軟件顯示分析結(jié)果，兩種界面可以同時(shí)被用戶觀測。QualiPHY軟件下發(fā)設(shè)置參數(shù)和測量命令到示波器上，示波器上傳捕獲波形到QualiPHY分析，QualiPHY將分析結(jié)果在控制PC上輸出美觀、實(shí)用和符合規(guī)范的結(jié)果報(bào)告。圖6描述了QualiPHY_for_ENET測試環(huán)境。用戶可以去www.lecroy.com自由下載QualiPHY軟件包，親身體會(huì)它給高速串行數(shù)據(jù)一致性測試帶來的高效和便利性。

結(jié)語

QualiPHY自動(dòng)化一致性測試軟件運(yùn)行在中高端數(shù)字示波器或串行數(shù)據(jù)分析儀上，針對(duì)典型高速串行數(shù)據(jù)鏈路一致性測試的流程特點(diǎn)，提供了全面而豐富的軟件功能和人機(jī)界面，有效降低了工程師操作儀器的復(fù)雜度，提高了測試效率，從而使得一致性測試成為一件非常有趣的工作，而非枯燥無味的任務(wù)。