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發布日期：2022-10-14 點擊率：45
本文轉自Agilent（安捷倫）官方網站，原文作者李凱。本文簡要地介紹了PCI-e 3.0的知識，并詳細描述了PCI-e 3.0的測試方法，對于從事高速數字電路設計的讀者來說，是一篇很有參考價值的文章。
1. 前言
PCI Express（簡稱PCI-e）總線是PCI總線的串行版本，其采用多對高速串行的差分信號進行高速傳輸，每對差分線上的信號速率可以是1代的2.5Gbps、2代的5Gbps以及現在正逐漸開始應用的3代8Gbps。
PCI-e標準是由PCI-SIG組織制定，自從推出以來，1代和2代標準已經在PC和Server上逐漸普及，用于支持高速顯卡以及其它接口卡對于高速數據傳輸的要求。出于支持更高總線數據吞吐率的目的，PCI-SIG組織在2010年制定了PCI-e 3.0，即PCI-e 3代的規范。目前，PCI-e 3.0已經開始出現在一些高端的Server上，而在普通PC上的應用也是指日可待。
那么PCI-e 3.0總線究竟有什么特點？對于其測試有什么特殊的地方呢？我們這里就來探討一下。
2. PCI-e 3.0簡介
2.1 信號速率的變化
首先我們看一下制定PCI-e 3代規范的目的，其目的主要是要在現有的FR4板材和接插件的基礎上提供比PCI-e 2代高一倍的有效數據傳輸速率，同時保持和原有1代、2代設備的兼容。別看這是個簡單的目的，但實現起來可不容易。
我們知道，PCI-e 2代在每對差分線上的數據傳輸速率是5Gbps，相對于1代提高了1倍；而3代要相對于2代把速率也提高一倍，理所當然的是把數據傳輸速率提高到10Gbps。但是就是這個10Gbps把PCI-SIG給難住了，因為PC和Server上出于成本的考慮，普遍使用便宜的FR4的PCB板材以及廉價的接插件，無論采用什么技術都很難保證10Gbps的信號還能在原來的信號路徑上可靠地傳輸很遠的距離（典型距離是15～30cm）。因此PCI-SIG最終決定把PCI-e 3代的數據傳輸速率定在8Gbps。但是8Gbps比著2代的5Gbps并沒有高一倍，所以PCI-SIG決定在3代標準中把在1代和2代中使用的8b/10b編碼去掉。我們知道，在PCI-e 1代和2代中為了保證數據的傳輸密度、直流平衡以及內嵌時鐘的目的，每8bit數據會編碼成10bit數據傳輸。因此，5Gbps的實際有效數據傳輸速率是5Gbps×8b/10b＝4Gbps。這樣，如果在PCI-e 3代中不使用8b/10b編碼，其有效數據傳輸速率就能比著 2代的4Gbps提高1倍。但是這樣問題又來了，數據如果不經編碼傳輸很難保證數據傳輸密度和直流平衡，接收端的時鐘恢復電路也很容易失鎖，于是PCI-e 3代里面采用了擾碼的方法，即數據傳輸前先和一個多項式進行異或，這樣傳輸鏈路上的數據就看起來比較有隨機性，到了接收端再用相同的多項式把數據恢復出來。通過上述方法，PCI-e 3代可以用8Gbps的傳輸速率實現比2代的5Gbps高1倍的數據傳輸速率。
2.2 發送端的變化
但是問題遠沒有結束，即使數據速率只有8Gbps，要在原有的廉價PCB和接插件上實現可靠傳輸也還要解決一些新的問題。其中最大的問題是信號的損耗，FR4板材對信號高頻成分有很大衰減，而信號速率越高，其高頻成分越多，所以衰減也就更厲害。下圖是不同速率的信號經過10英寸的FR4板材的PCB傳輸以后信號的眼圖，我們可以看到8Gbps的信號在接收端基本上看不到眼圖了，更不要說進行有效的數據接收。
為了解決這個問題，在PCI-e的1代和2代中使用了去加重（De-emphasis）技術，即信號的發射端（TX）在發送信號時對跳變bit（代表信號中的高頻成分）加大幅度發送，這樣可以部分補償一下傳輸線路對高頻成分的衰減，從而得到比較好的眼圖。
PCI-e 1代中采用了-3.5db的去加重，PCI-e 2代中采用了-3.5db和-6db的去加重， 而對于3代來說，由于信號速率更高，需要采用更加復雜的2階去加重技術。即除了跳變bit增大幅度發送（De-emphasis）以外，在跳變bit的前1個bit也要增大幅度發送，這個增大的幅度通常叫做Preshoot。
為了應對復雜的鏈路環境，PCI-e 3代中規定了共11種不同的Preshoot和De-emphasis的組合（Preset），實際應用中Tx和Rx端可以在Link Training階段協商出一個最優的Preset值。
2.3 接收端的變化
那做了這些工作就夠了嗎？經過實驗發現，僅僅在發送端對信號高頻進行補償還是不夠，如是PCI-e 3代標準中又規定在接收端（RX端）還要對信號做均衡（Equalization）。所謂均衡，就是在RX端的接收芯片內部增加一個均衡電路，這個均衡電路可以抬高接收到的信號中的高頻分量，從而對線路的損耗進行進一步的補償。均衡電路的實現難度較大，以前主要用在通信設備的背板或長電纜傳輸的場合，現在也逐漸開始在計算機領域應用，比如USB3.0中也采用了均衡技術。下圖是PCI-e 3.0里對均衡器的頻響特性的要求。我們可以看到均衡器的強弱也有很多檔可選，在Link Training階段TX和RX端會協商出一個最佳的組合。
我們看到，經過種種努力，PCI-e 3.0總算初步實現了其初衷，即在現有的FR4板材和接插件的基礎上提供比PCI-e 2代高一倍的有效數據傳輸速率。但我們同時也看到，PCI-e 3代的芯片會變得更加復雜，系統設計的難度也也更大。如何保證PCI-e 3代總線工作的可靠性和很好的兼容性，就成為設計和測試人員面臨的嚴峻挑戰。
3. PCI-e 3.0的測試
首先要說明的一點是，由于PCI-e 3代目前只頒布了Base的規范（即芯片規范），但CEM規范（即主板和插卡的規范）和測試規范還沒有正式發布，所以下面介紹的方法是基于目前的通用做法，以后隨著規范的正式發布，具體測試方法可能還有變化。
3.1 發送端的信號質量測試
對于發送端的測試，主要是用寬帶示波器捕獲其發出的信號并驗證其信號質量滿足規范要求。按照目前Base規范中的要求，PCI-e 3.0的測試需要至少12GHz帶寬的示波器，并配合上相應的測試夾具和測試軟件。
由于PCI-e 3.0的信號經過傳輸以后信號幅度都已經衰減得很小（典型值是100mV左右），為了保證足夠的測量精度，除了示波器的帶寬要足夠以外，還需要示波器有很低的底噪聲才能保證測量的準確性和測量重復性。Agilent公司的90000X系列示波器除了能夠提供最高到32GHz的硬件帶寬以外，還具有業內最低的底噪聲指標以及高達2G的存儲深度，可以充分滿足PCI-e 3代測試的要求，下面是Agilent的90000X示波器的一些主要指標。
測試中首先使用PCI-SIG提供的PCI-e 3的夾具把被測信號引出（PCI-e 3代的夾具和PCI-e 2代一樣分為CBB板和CLB板，CBB板用于插卡的測試，CLB板用于主板的測試），然后通過測試夾具上的切換開關控制DUT輸出PCI-e 3代的一致性測試碼型。需要注意的一點是由于PCI-e 3代信號如前所述共有11種Preset值，測試過程中應明確當前測試的是哪一種Preset值，做信號質量測試常用的有Preset7、Preset8、Preset1、Preset0。下圖是PCI-e 3代的CBB板及一致性測試碼型。
另外，PCI-e 3代測試很重要的一點是要做信號的的Embed，Embed即是在測試過程中加入芯片封裝對信號的影響，這個芯片封裝的模型是PCI-SIG以S參數文件的形式提供的，測試過程中需要示波器能把這個S參數文件的影響加到被測波形上。同時，測試過程中示波器是用2個通道分別連接信號的正負端，要得到最后的差分波形需要示波器對2個通道的波形做相減運算。如果波形相減和S參數嵌入的工作都由示波器軟件計算，會大大影響測試速度。Agilent公司的90000A/90000X示波器內部都有硬件的通道相減及S參數運算功能，可以大大提高測試的速度和效率。
對測試數據做分析得方法有2種：一種是使用PCI-SIG提供的Sigtest軟件做手動分析，一種是使用Agilent公司提供的N5393C PCI-e 3.0自動一致性測試。Sigtest軟件是的算法由PCI-SIG提供，但是需要用戶手動捕獲數據進行后分析。Sigtest可以進行信號的眼圖、模板、抖動的測試。下圖是用Sigtest的測試結果。
由于Sigtest需要用戶手動捕獲數據，對于不熟練的測試人員容易可能由于設置不對造成測試結果的不一致，而且其測試項目有限，沒有覆蓋全部的信號要求。所以針對PCI-e3的測試Agilent還提供了N5393C的自動化測試軟件。這個軟件以圖形化的界面指導用戶完成設置、 連接和測試過程，除了提供Swing、Preset、Common Mode等更多測試項目以外，還可以自動進行示波器測量參數設置以及自動生成報告，提高了測試的效率和可重復性。除此以外，這個軟件在測試過程中還會對被測件發出的碼型和速率進行檢查，以確認測試使用的是規范要求的正確碼型。下圖是N5393C軟件的設置和生成的測試報告。
以下是PCI-e 3.0信號測試推薦使用的儀器：
3.2 接收端的接收容限測試
PCI-e 1.0和2.0的時代，接收端測試不是必須的，通常只要保證發送端的信號質量基本就能保證系統的正常工作。但是對于PCI-e 3.0來說，由于速率更高，發送端發出的信號經過長線傳輸后信號質量總是不會太好，所以接收端使用了復雜的均衡技術來提升接收端的接收能力。由于接收端更加復雜而且其均衡的有效性會顯著影響鏈路傳輸的可靠性，因此在PCI-e 3.0時代，接收端的測試變成了必測的項目。
所謂接收端測試，就是要驗證接收端對于惡劣信號的容忍能力。這就涉及到2個問題，一個是這個惡劣信號怎么定義，另一個是怎么判斷被測系統能夠容忍這樣的惡劣信號。
首先來看一下這個惡劣信號的定義，這不是一個隨便的差信號就可以，這個信號的惡劣程度有精確定義才能保證測量的重復性。這個惡劣信號通常叫做Stress Eye，即壓力眼圖，實際上是借鑒了10G以太網的叫法。這個Stress Eye實際上是用高性能的誤碼儀先產生一個純凈的帶預加重和Preshoot的8Gbps的信號，然后在這個信號上疊加上精確控制的隨機抖動（RJ）、周期抖動（SJ）、差模和共模噪聲以及碼間干擾（ISI）。為了確定每個成分的大小都符合規范的要求，所以測試之前需要先用示波器對測試信號進行校準，確定產生的是規范要求的Stress Eye。下圖產生Stress Eye和信號校準的一個原理圖。
另一個問題是如何判斷被測系統能夠容忍這樣的惡劣信號。這就需要被測系統工作在環回模式，即把其從RX端收到的數據再通過TX端發送出來送回誤碼儀，誤碼儀通過比較誤碼來判斷數據是否被正確接收，測試中要求誤碼率小于1E-12。下圖是用Agilent的高性能串行誤碼儀N4903B和N4916B預加重模塊進行PCI-e 3.0接收測試一個示意圖。實際測試中根據實際情況還需要增加一些耦合器、轉接頭、測試電纜等。
這個測試對于激勵源也即碼型發生器的要求很高。首先其要能產生高質量的PCI-e 3.0的8Gbps的數據流，其固有抖動要非常小才不會影響正常的抖動容限測試；其次其要能在數據流上調制上幅度、頻率精確可控的抖動分量并能夠進行誤碼檢測。Agilent的N4903B是高性能的串行誤碼儀，其單路可以產生12.5Gbps的高速數據流，信號20%～80%上升時間<20ps，固有抖動只有9ps（p-p）,信號的幅度在50mV～1.8V范圍內連續可調，同時其內部集成時鐘恢復電路，信號接收靈敏度小至50mV，非常適合PCI-e 3.0接收測試這種速率高同時對信號質量又有很好要求的場合。N4903B還可以通過后續升級支持最高28.4Gbps的高速串行數據，可以充分兼顧未來更高速率的應用。
除此以外，PCI-e 3.0的接收測試還需要產生帶Preshoot和De-emphasis的信號，這實際上是一個2階的De-emphasis。Agilent的N4916B是高性能的De-emphasis模塊，其可以產生多達4階、最高幅度到12db的De-emphasis，可以充分滿足PCI-e 3.0的接收測試以及未來更高性能總線的要求。
以下是PCI-e 3.0接收測試推薦的主要設備：
3.3 PCI-e 3.0協議的測試
完成信號質量的測試僅僅是保證了PCI-e物理層的可靠工作，整個系統的可靠工作還離不開上層協議的支持。由于PCI-e 3.0是全新的標準，所以為了幫助用戶更進一步分析和定位由于上層協議造成的問題，Agilent還提供了全套的PCI-e 3.0協議測試方案，方案中包括了協議分析儀、探頭以及訓練器。
下圖是PCI-e 3.0協議分析儀U4301A，它是一塊采用了Agilent AXIe架構的插卡，可以插在AXIe的機箱里，通過探頭來捕獲高速的PCI-e 3.0信號，并通過外部PC控制顯示協議分析的結果。
AXIe是Agilent最新推出的高速模塊化儀器的架構，除了能給高性能的模塊提供穩定可靠的機箱環境以外，還提供了背板的高速數據交換能力，主要用于需要大量數據處理的高性能板卡。除了PCI-e 3.0的協議分析儀以外，Agilent在這個平臺上還推出了業內最高性能的U4154A高速邏輯分析儀模塊(可以用于DDR3的協議測試，支持高達4Gb/s的數據速率)、U4998A高速HDMI協議分析儀（支持HDMI1.4的測試）、M8190A高性能任意波發生器（12G/s采樣率@12位分辨率或8G/s采樣率@14位分辨率）等，因此用戶在這個統一的平臺上可以完成未來的很多高速總線的測試任務。1塊U4301A插卡可以支持到X8雙向的PCI-e 3.0/PCI-e2.0/PCI-e1.0的協議測試，2塊卡可以支持X16的測試并提供搞到8GB的存儲深度。為了支持復雜問題的分析和定位，U4301A還支持多達4級的觸發序列并預先定了多種錯誤觸發條件，可以幫助用戶快速發現總線上的錯誤。
要針對高速的PCI-e 3.0信號做正確的協議分析，可靠的探頭連接必不可少。由于PCI-e 3.0的信號經過PCB傳輸后信號質量惡化很大，因此PCI-e 3.0的接收芯片內部有均衡電路來保證信號的可靠接收。而對于協議分析儀的探頭來說也存在同樣的問題，即如果不做均衡可能就無法可靠捕獲總線上的信號。因此針對PCI-e 3.0的協議測試，Agilent還提供了帶均衡功能的探頭，以下分別是針對計算機應用和嵌入式應用提供的2種探頭。
很多時候僅僅被動地做總線上的協議捕獲和分析并不能全面驗證系統在各種未知條件下可能出現的問題，因為實際的測試環境能夠模擬出來的條件都是有限的。為了進行更全面的測試，Agilent還提供了PCI-e 3.0的協議訓練器U4305A。所謂訓練器，就是可以人為設定要發送的PCI-e數據包的內容來主動和被測件進行協議交互以更全面驗證系統功能的儀器。U4305A設計成一個PCI-e 3.0的插卡類型，通過USB接口用外部PC進行控制，可以直接插在主板的PCI-e插槽上進行主板測試，也可以通過測試背板進行PCI-e插卡的測試。U4305A還集成了LTSSM的自動測試功能，可以快速發現系統在鏈路協商中的問題。下圖是U4305A及做LTSSM測試的界面。
4. 總結
綜上所述，PCI-e 3.0是新一代的高速總線，采用了很多和前一代完全不一樣的技術來克服高速數據傳輸的信號質量問題，也帶來很多全新的測試挑戰。Agilent作為PCI-SIG的董事會成員之一，一直積極參與到PCI-e 3.0的規范制定和測試方法的實施中，并提供了覆蓋發送信號質量測試、接收容限測試、協議分析、訓練器等全套的測試方案。
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