PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試

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)現及其相關(guān)的一致性測試，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鏈路均衡的測試和調試，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。

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)系統也就能夠正常工作；因此接收端測試并不是必測項。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(cháng)走線(xiàn)的傳輸，因此在接收端采用了復雜的均衡技術(shù)；因此在PCIe 3.0/4.0中接收端測試屬于必測項。

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，能夠實(shí)現高達32Gbps的碼型發(fā)生和誤碼分析功能，同時(shí)其內部集成有預加重模塊、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(mǎn)足未來(lái)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。

圖1 PCIe 3.0的接收端測試的示意圖

在PCIe 3.0 & 4.0的接收端內部集成了復雜的單元，例如：均衡電路、時(shí)鐘恢復電路、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(lái)說(shuō)，是一個(gè)黑盒子。PCI-SIG協(xié)會(huì )的規范開(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)完成對接收端的評估。這種方法論的核心思想就是：通過(guò)向接收端施加一個(gè)嚴重劣化的信號（即壓力眼圖），來(lái)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(wú)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、進(jìn)入環(huán)回模式、進(jìn)行誤碼率測試。

●   壓力眼圖的校準就是：定量地規定這個(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：使用規定好的碼型進(jìn)行誤碼率測試。

在壓力眼圖的校準時(shí)，涉及到信號的特性分析以及調整迭代，這些都需要反復進(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(guò)泰克公司的PCIe Rx自動(dòng)化測試軟件，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，校準過(guò)程都分為兩個(gè)階段：

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

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

無(wú)論是PCIe 3.0，還是PCIe 4.0，TP1的校準過(guò)程都是一樣的，而且較為簡(jiǎn)單；不區分待測對象是插卡還是系統板，整個(gè)拓撲連接如圖3所示。

圖3 PCIe 3.0 & 4.0的TP1校準拓撲連接

TP2校準則連接較為復雜，耗時(shí)較長(cháng)；并且對于插卡和系統板來(lái)說(shuō)，拓撲連接是不同的。而且在PCIe 3.0和PCIe 4.0中，TP2校準的策略有所不同。在PCIe 3.0中，是通過(guò)調整DMSI和Rj來(lái)達到最終的眼高/眼寬。而在PCIe 4.0中，則主要通過(guò)調整ISI來(lái)使得眼圖接近最終的眼高/眼寬，這一過(guò)程為粗調；然后再通過(guò)調整Sj、DMSI、或幅度來(lái)獲得最終的眼圖，這一過(guò)程為細調。

PCIe 3.0的TP2校準的拓撲連接如圖4所示。對于插卡的校準來(lái)說(shuō)，在其拓撲連接中采用的是兩連接頭的拓撲結構，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。

(a)

(b)

圖4 PCIe 3.0 TP2校準拓撲連接：(a) 插卡的校準  (b) 系統板的校準

完成了拓撲連接之后，就可以進(jìn)行PCIe 3.0的TP2的校準了。在最終眼高/眼寬的校準過(guò)程，通過(guò)調整Rj和DMSI，來(lái)達到最終的眼高/眼寬要求。這里存在的風(fēng)險是：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的校準修改了相應的校準策略，引入了一個(gè)ISI板，優(yōu)先來(lái)調節參考信道的ISI值，來(lái)對眼圖進(jìn)行調整。當眼圖接近到最終的眼高/眼寬附近時(shí)，再通過(guò)調整DMSI，Sj和幅度來(lái)達到最終的眼高/眼寬，并且DMSI，Sj和幅度的調整范圍做了限制，從而能夠比較真實(shí)地模擬現實(shí)中的情況。

PCIe 4.0的TP2校準的拓撲連接如圖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，在拓撲連接中，鏈路損耗的估算時(shí)必須要將連接線(xiàn)纜等的損耗計入在內。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。

(a)

(b)

圖5 PCIe 4.0 TP2校準拓撲連接：(a) 插卡的校準  (b) 系統板的校準

如前所述，在PCIe 4.0的校準過(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，依據計算出來(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)應答和訓練。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；可以支持多種標準協(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)的標準的測試。

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(lái)說(shuō)，從狀態(tài)機的角度，有兩種方式進(jìn)入環(huán)回模式，如圖7所示：

（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，那么后續的誤碼率測試就很簡(jiǎn)單。誤碼儀發(fā)送Modified Compliance Pattern，檢查1012個(gè)比特數據；若不超過(guò)1個(gè)誤碼；那么就算通過(guò)；否則就未通過(guò)。

診斷和調試

在實(shí)際的Rx LEQ的測試中，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試；而進(jìn)行一系列的調試工作，來(lái)找出根因（Root Cause）。

圖8 使用誤碼儀的眼圖功能觀(guān)測待測對象的環(huán)回數據輸出的信號質(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，還提供了豐富的調試功能。再配合上BSX系列的誤碼儀的通用調試功能，能夠為用戶(hù)提供全方位的靈活性。

在進(jìn)行Rx LEQ環(huán)回測試時(shí)，有兩條數據通路：接收數據通路和環(huán)回數據通路。由于Rx LEQ是針對接收數據通路的測試，因此用戶(hù)必須保證不會(huì )由于環(huán)回數據通路的原因而導致誤碼儀的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(hù)再不進(jìn)行任何拓撲連接改變的情況下，就能夠進(jìn)行誤碼的調試。

用戶(hù)可以使用泰克公司提供的“Empty A – Modified Compliance B.ram”文件，就能夠使得被測對象穩定地進(jìn)入Compliance模式，然后通過(guò)這個(gè)ran文件進(jìn)行碼型切換，將被測對象的輸出端切換到8Gbps或16Gbps，觀(guān)察哪個(gè)預設定值能夠給出最好的眼圖。然后在圖9中設置“Preset/Hint”成剛才的預設置，就能夠保證環(huán)回數據通路不會(huì )引入誤判的誤碼。

倘若排除了環(huán)回數據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)有達到最優(yōu)，從而沒(méi)有像鏈路對端請求最優(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)對整個(gè)系數空間進(jìn)行掃描，若測得的結果表明：在系數空間中存在一些系數組合能夠達到?jīng)]有誤碼，那么說(shuō)明DUT的均衡算法未達到最優(yōu)。

圖9 對Tx EQ的系數空間進(jìn)行掃描的誤碼率測試

在此基礎上還可以進(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。

（a）

（b）

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

（a）

（b）

圖 11 差模噪聲的裕度測試：(a) 設定界面  (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(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)上更具競爭力。