【坐享“騎”成】系列之一： 你未來(lái)的坐騎就是移動(dòng)的數據中心！給PCIe測試帶來(lái)更多需求

汽車(chē)的“信息化、智能化”為汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)了新的概念，軟件定義汽車(chē)。它代表著(zhù)車(chē)內軟件的數量和價(jià)值（包括電子硬件）超過(guò)了機械硬件，代表著(zhù)汽車(chē)行業(yè)的逐步轉型，從高度的電子機械終端到智能、可擴展的移動(dòng)電子終端并可持續升級。要成為如此智能的終端，汽車(chē)必須預先嵌入高級的硬件，而硬件的功能和價(jià)值通過(guò)整個(gè)生命周期中的OTA逐漸激活及增強。行業(yè)的價(jià)值鏈將從一站式的硬件銷(xiāo)售變成持續的軟件和服務(wù)優(yōu)化，而消費者也期望汽車(chē)有類(lèi)似智能手機的行為的客戶(hù)感受。 因此汽車(chē)的電子電氣架構 (EEA) 需要從傳統的分布式模型向中心化、簡(jiǎn)介化、可擴展化演進(jìn)。概括的說(shuō)， EEA 的演進(jìn)將通過(guò)集成、域中心化及車(chē)中心化三步演進(jìn)，如下圖所示：

圖 1. 汽車(chē)電子電氣架構演進(jìn)路線(xiàn)

當前車(chē)內的電子電氣架構以功能型的域集中形式為主，比如將動(dòng)力域、底盤(pán)域、車(chē)身域整合為“車(chē)控域”； “智能座艙域”將取代原有的信息娛樂(lè )域，實(shí)現人機交互和T-box集成功能；“自動(dòng)駕駛域”將負責高級自動(dòng)駕駛的感知、規劃和決策。當然造車(chē)的新勢力會(huì )更進(jìn)一步的采用域中心化及車(chē)中心化的先進(jìn)架構實(shí)現更高級別的自動(dòng)駕駛能力，實(shí)現“跨域融合”。 智能座艙作為與消費者最直接的接觸空間，是客戶(hù)交 互體驗差異化的關(guān)鍵，汽車(chē)行業(yè)中的熱點(diǎn)并且不斷的加速演進(jìn)。這也帶來(lái)了智能座艙在數字儀表、信息娛樂(lè )等多個(gè)顯示域實(shí)現 HMI 的無(wú)縫連接，并且屏幕的尺寸也越來(lái)越大，多模交互、中控多屏以及智能聯(lián)屏是智能座艙發(fā)展的趨勢。

如下圖所示，參考華為海思的智能座艙框圖，典型的座艙域控制其中可能包含了各種各樣的顯示高速總線(xiàn)，比如GMSL/FPD-LINK/MIPI DSI/CSI 等連接多種屏幕，同時(shí)也包含了各種車(chē)內互聯(lián)接口，比如 CAN/ CAN-FD/USB2.0/100BASE-T1 等用于與座艙中各種傳感器、音頻設備等外設的互聯(lián)，從而可以通過(guò)硬件架構的集中和統一的智能化處理帶來(lái)更豐富的沉浸式用戶(hù)體驗。

圖 2. 智能座艙示意圖參考海思

作為設計者要面對下一代高速的視頻及外設接口信號完整性，冗余的硬件設計滿(mǎn)足消費者的全生命周期迭代升級要求，輕量化及降低線(xiàn)束，以及更低的功耗等等各種挑戰。

圖 3. 不斷推進(jìn)的分辨率及 SERDES 高速接口

自動(dòng)駕駛域涉及到感知、決策和執行三個(gè)層面，隨著(zhù)汽車(chē)智能化水平的不斷提高，驅使著(zhù)自動(dòng)駕駛算力的不斷增加以及融合感知能力的不斷增強。這都使得傳感器接口數量和帶寬都高速增長(cháng)，涉及到 MIPI DPHY/ CPHY/SERDES/車(chē)載以太網(wǎng)等等高速互聯(lián)接口；以及內部計算接口總線(xiàn)、存儲總線(xiàn)、芯片互聯(lián)總線(xiàn)諸如 PCIe Gen3/4、LPDDR4/5、XFI 等等。這都為硬件工程師帶來(lái)不斷提升的高速信號完整性及電源完整性設計與測試的挑戰。

以下將會(huì )對新一代電子電氣架構下，智能座艙域及自 動(dòng)駕駛域內部涉及到的各類(lèi)高速總線(xiàn)信號完整性及電源完整性測試進(jìn)行分析和總結，幫助汽車(chē)行業(yè)工程師們能夠應對日益提升的汽車(chē)硬件設計域測試要求。

圖 4. 自動(dòng)駕駛域示意圖

圖 5. 參考 nVidia Orin 計算平臺示例

PCIe Gen 2/3/4 測試

PCIe是數據中心和客戶(hù)端應用中使用的主要新興高性能存儲和串行總線(xiàn)，實(shí)現了外設之間的數據通信。下圖為PCIe 總線(xiàn)傳統的典型應用：由于汽車(chē)向“信息化、智能化”不斷演進(jìn)，汽車(chē)也越來(lái)越像移動(dòng)的數據中心，承載著(zhù)大量的計算場(chǎng)景，從而PCIe的大量使用也是必不可少，并且速率也在隨著(zhù)芯片算力、消費接口升級而不斷提高。

圖 6. PCIe 典型應用場(chǎng)景

圖 7. PCIe 鏈路層級示意及鏈路實(shí)現方案

與任何串行數據標準一樣， PCI Express 可以視作“由多個(gè)層組成的堆?！?，堆棧中包括通過(guò)傳輸介質(zhì)傳送電子信號的物理層；把信號解釋為有意義的數據的邏 輯層；傳輸層等等。每個(gè)層有相應的標準和一致性測 試程序。而其中PHY 層（物理層）涵蓋了兩個(gè)子層：邏輯層和電氣層。PHY的物理部分處理高速串行分組交換和電源管理機制。PHY 的邏輯層處理復位、初始化、編碼和解碼。電氣子模塊和邏輯子模塊還可能包 括特定標準功能。

PCI Express 鏈路由稱(chēng)為通路的雙單工傳輸方案集合組成。每條通路有一個(gè)發(fā)送和接收差分對，每條通路共有四根走線(xiàn)（以圖中的 PCIe x4 鏈路為例）。 PCIe 標準由PCI-sig組織負責維護，從機械接口來(lái) 看有 CEM 等形式，并具備一致性測試要求；而對于芯片到芯片的連接，則有 PCIe 的 Base 規范來(lái)進(jìn)行規定，但是沒(méi)有一致性要求。其主要的信號特點(diǎn)：

1. 采用AC耦合的差分信令傳輸

2. 應用100MHz的參考時(shí)鐘，既可以是公共時(shí)鐘也可以是分離時(shí)鐘

3. 總線(xiàn)寬度可擴展，包含x1、x2、x4、x8、x16通路數目

4. 可擴展傳輸速率，包含2.5GT/s (Gen1)、5GT/s (Gen2)、8GT/s (Gen3)、16GT/s(Gen4) 等等

5. 多種連接方式，如CEM、U.2、M.2 及 PCB直連等

圖 8. PCIe 標準分類(lèi)

如下圖所示，典型的整條高速串行鏈路由發(fā)射機、信道及接收機三部分組成。對于芯片到芯片的PCIe鏈路，通常標準會(huì )定義在發(fā)射機引腳進(jìn)行測試，并滿(mǎn)足PCIe Base的規范要求。 由于PCIe芯片中還包含了發(fā)射機及接收機均衡以抵抗信道的衰減；所以調試時(shí)往往還需要嵌入信道的模型，并模擬PCIe芯片的接收機均衡來(lái)評估芯片內部進(jìn)行均衡后的信號質(zhì)量。而這些往往都可以在示波器的軟件中進(jìn)行模擬。

圖 9. PCIe 典型鏈路測試示意

PCIe 鏈路性能列在下面以供參考：

在實(shí)際應用中，PCIe 速率是向下兼容，比如 Gen4 的發(fā)射機也會(huì )兼容 Gen1、2、3 的所有速率和均衡方式，并且通過(guò)協(xié)商的方式?jīng)Q定最終的鏈路工作模式；假如我們需要進(jìn)行所有發(fā)射機和接收機均衡的調試和評估，需要非常紛繁復雜的測試手段。

泰克 PCIe 測試解決方案

泰克PCIe測試解決方案不僅僅針對PCIe一致性測試，而且也支持PCIe Base測試所需要的測量項目，并且具備優(yōu)異的三模測試探頭、功能完備的串行數據鏈路分析軟件（SDLA）及協(xié)議解碼功能，可以讓我們在PCIe的調試、測試和評估中得心應手。

泰克的 SDLA 串行鏈路分析軟件支持針對發(fā)射機、接收機均衡模擬，以及信道的嵌入與去嵌，因而在進(jìn)行復雜的PCIe鏈路的模擬中通過(guò)一次測試模擬出不同均衡下，針對不同信道模型各個(gè)節點(diǎn)的波形進(jìn)行分析比對。并且 SDLA 支持豐富的信道模型嵌入和去嵌，最大程度提高測試的便利性，比如單端或差分S參數，示波器及探頭模型、傳輸線(xiàn)模型、RLC 模型、傳遞函數等等：

圖 10. 泰克 SDLA 串行鏈路分析軟件

圖 11. SDLA 支持豐富的信道模型類(lèi)型

接收機均衡除了支持自定義CTLE、FFE/DFE均衡設 定外，同時(shí)也支持IBIS-AMI模型，真實(shí)模擬芯片的均衡能力。

圖 12. SDLA 支持 IBIS-AMI 模型

接收機均衡除了支持自定義 CTLE、FFE/DFE 均衡設 定外，同時(shí)也支持 IBIS-AMI 模型，真實(shí)模擬芯片的均衡能力： 此外，泰克還提供了SignalConnect^TM 信道測量建模 功能，方便直接對信道進(jìn)行測量和生成模型，并方便快捷的導入至SDLA中進(jìn)行鏈路分析：

圖 13. 泰克 SignalCorrect 信道測試建模功能

在調試與評估中，泰克還提供了SR-PCIe協(xié)議解碼功能，幫助發(fā)現并定位通信鏈路中可能存在的問(wèn)題：

圖 14. 泰克PCIe協(xié)議解碼功能，并能實(shí)現點(diǎn)擊任意符號波形自動(dòng)跳轉到對應位置功能

推薦的示波器的選擇如下表：

總體來(lái)說(shuō)，泰克PCIe 解決方案提供完備的軟件支持PCIe Base及CEM一致性測試，提供豐富的調試工具如SDLA、SignalCorrect、協(xié)議解碼等，使得PCIE在芯片到芯片互聯(lián)的測試與評估更加簡(jiǎn)單快捷，讓產(chǎn)品可以更快投放到市場(chǎng)，從而獲得競爭優(yōu)勢。