高速串行總線(xiàn)的信號完整性驗證

---一般來(lái)講，電子產(chǎn)品的設計都離不開(kāi)以下幾個(gè)部分：電源、時(shí)鐘、復位信號、總線(xiàn)和接口，正是這些各個(gè)部分的信號連接著(zhù)整個(gè)系統，也是決定系統穩定性的重要角色之一。系統的穩定性和設計質(zhì)量的好壞，從信號本身的角度可以看出絲許端倪，其實(shí)這也就是信號完整性研究的內容。
---隨著(zhù)技術(shù)的不斷發(fā)展，設計工程師會(huì )越來(lái)越多地面臨著(zhù)高速信號的設計處理的問(wèn)題，高速數據總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，也給測試帶來(lái)了新的挑戰。
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第三代I/O技術(shù)PCI Express，使人們可以突破以往PCI帶寬較窄的瓶頸限制，從而更加靈活地設計的自己高性能系統。對于PCI Express的測試，PCISIG已經(jīng)有詳細的測試方法了，但是實(shí)際系統千差萬(wàn)別，PCISIG也不可能一一規定得清清楚楚，所以這就需要對各個(gè)總線(xiàn)規格的技術(shù)特征要有深入的了解，確定到底那條才是符合實(shí)際系統的標準。不只是PCI Express，光纖通道(Fiber Channel)、Infiniband、千兆以太網(wǎng)、1394b、USB等信號的測量也有同樣的問(wèn)題。
---對于任何總線(xiàn)或是信號的測試，首先要對其所用的技術(shù)規格非常熟悉，一個(gè)經(jīng)驗豐富的工程師只需要看技術(shù)規范，就能大致找到測試方法，當然有的時(shí)候需要配置完備的儀器才行。
---首先來(lái)看眼圖的測量，要測試眼圖就得先找到規定的眼圖的模板，也就是Eye Mask。各個(gè)技術(shù)規格都會(huì )有明確的規定，工程師可以從技術(shù)規范中找出眼圖模板的規格，在測試儀器上(如示波器)按照規格進(jìn)行編輯眼圖模板，圖1是光纖通道標準規定不同的點(diǎn)對應的不同的眼圖模板。一般來(lái)說(shuō)，儀器廠(chǎng)家都會(huì )有已經(jīng)做好的模板文件，只需調用就行了，當然工程師一定要去對照標準檢查一下，儀器廠(chǎng)商有時(shí)候提供的也不一定是正確的，會(huì )浪費用戶(hù)的很多時(shí)間。至于接下來(lái)的測試就簡(jiǎn)單了，只需要把測試信號接到儀器上就行了，或是直接點(diǎn)到測試點(diǎn)上，或是通過(guò)專(zhuān)用的測試夾具，或是通過(guò)輸出的接口等。
---現在的高速串行總線(xiàn)采用8B/10B編碼已是潮流，還有預加重(Pre-emphasis)，去加重(Deemphasis)，嵌入式時(shí)鐘等都是比較重要的概念。
---在測試的過(guò)程中，怎么樣抓取所需要的信號是個(gè)關(guān)鍵，比如PCI Express、光纖通道等測試就顯得很簡(jiǎn)單，它會(huì )自動(dòng)發(fā)出一連串的Compliance pattern供測試用。但是對于以太網(wǎng)、1394等，就沒(méi)有那么簡(jiǎn)單了，這需要各個(gè)芯片廠(chǎng)商的支持才行，用戶(hù)需要從芯片廠(chǎng)商那里獲取如何開(kāi)啟芯片的寄存器，使芯片進(jìn)入所謂的測試模式(test mode)，發(fā)出想要的圖案(pattern)或是數據包(package)，這樣就能抓取想要的信號，從而驗證它的品質(zhì)了。
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說(shuō)到抓取信號，當然離不開(kāi)儀器探頭之類(lèi)的東西了，但是對于不同技術(shù)規格的信號，應該有不同的選擇要求，如帶寬、上升時(shí)間、靈敏度、采樣率等，這些可以跟儀器廠(chǎng)商聯(lián)系，他們會(huì )有一些解決方案，但是這些基本的東西需要用戶(hù)自己掌握，因為很多測試儀器的價(jià)格可是不菲的。
---當工程師抓取到信號時(shí)，就可以測試了?，F在很多儀器廠(chǎng)商會(huì )提供一些傻瓜式應用程序，只需用戶(hù)單擊一下run或是start，就可以幫用戶(hù)完成大部分測試，并且還會(huì )自動(dòng)生成報告。但工程師也不能過(guò)分依賴(lài)儀器廠(chǎng)商，一來(lái)這些應用軟件很多時(shí)候并不是免費的，而且還價(jià)格昂貴，二來(lái)儀器廠(chǎng)商也不是萬(wàn)能的，有的時(shí)候，有的參數還得靠自己一個(gè)一個(gè)去測量，其實(shí)這才是體現工程師價(jià)值的時(shí)候。下面就以光纖通道信號的測試作為實(shí)例簡(jiǎn)單介紹一下。
---測量信號為Fibre Channel(FC)，信號的速率為2.125Gbps。根據信號速率，選擇了一臺7GHz帶寬，20GSPS采樣速率的實(shí)時(shí)示波器Tektronix TDS7704B。探頭為為5GHz帶寬的差分探頭P7350，注意，示波器里面必須具有CDR(clock distract recovery)模塊，因為這些高速串行總線(xiàn)的時(shí)鐘都是嵌入在數據中，所以需要CDR去從數據中恢復出時(shí)鐘信號，這樣才能去采樣信號。還有一個(gè)就是實(shí)時(shí)串行數據分析軟件，如泰克的RT-eye軟件。

目前這個(gè)軟件可以完成光纖通道信號大部分的測試項目，如眼圖、抖動(dòng)、上升時(shí)間、下降時(shí)間、eye height、eye width、Jitter@BER、Dj、Rj、eye opening@BER、速率、UI，還可以畫(huà)浴盆曲線(xiàn)、統計圖、直方圖等。圖2為實(shí)際2.125GHz光纖通道信號的測試結果，圖3是2.5GHz的PCI Express總線(xiàn)信號的測試結果。
---在這里要提醒的是以下幾點(diǎn)，一是圖案長(cháng)度的設置，二是圖案類(lèi)型的選擇，三是鎖相環(huán)濾波器帶寬的選擇，四是BER要求的數據量。

參考文獻
1 PCI Express Base Specification Revision 1.0a. PCISIG. April 15. 2003
2 FIBRE CHANNEL PHYSICAL INTERFACES (FC-PI-2). NCITS working draft. July 11.2003
3 InfiniBand Architecture Specification Volume 1. Release 1.2. Sept. 2004