PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試（下篇：實踐篇）

作者：泰克科技應用工程師 李煜

聚焦于PCIe 3.0和4.0中的動態(tài)均衡技術(shù)，本文介紹其原理、實現(xiàn)及其相關(guān)的一致性測試，這種動態(tài)均衡技術(shù)被稱作“Link Equalization”（鏈路均衡，簡稱為LEQ）。本系列文章分上下兩篇，本文是下篇實踐篇，重點介紹Rx鏈路均衡的測試和調(diào)試，泰克公司的自動化軟件為此提供了業(yè)界最優(yōu)的解決方案。

另外，泰克PCI Express專家David Bouse將在4月10日（周五）13:00-16:00直播課堂【PCIExpress 5.0規(guī)范更新解讀和測試揭秘】講解如何解決PCIe 5.0的新測試挑戰(zhàn)https://info.tek.com/cn-pcie-mofu.html。

接收端鏈路均衡測試（Rx LEQ）

在PCIe 2.0的時代，通常只要保證了發(fā)送端的信號質(zhì)量，那么整個系統(tǒng)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)過長走線的傳輸，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?qū)崿F(xiàn)高達32Gbps的碼型發(fā)生和誤碼分析功能，同時其內(nèi)部集成有預加重模塊、噪聲注入、抖動注入等，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足未來的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(nèi)部集成了復雜的單元，例如：均衡電路、時鐘恢復電路、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說，是一個黑盒子。PCI-SIG協(xié)會的規(guī)范開發(fā)人員，在面臨此種困難時，開發(fā)了一套被稱作“壓力眼圖（StressedEye）”的方法論來完成對接收端的評估。這種方法論的核心思想就是：通過向接收端施加一個嚴重劣化的信號（即壓力眼圖），來檢測在此種情況下，接收端是否仍能夠正確地接收信號。因此，無論是PCIe 3.0 & 4.0 Rx LEQ的測試，基本上都可以分解成三個步驟：壓力眼圖的校準、進入環(huán)回模式、進行誤碼率測試。

• ?壓力眼圖的校準就是：定量地規(guī)定這個劣化信號劣化到何種程度、以及測量該劣化信號的方法；
• ?進入環(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地環(huán)回到待測的發(fā)送端；然后誤碼儀對這個環(huán)回的信號進行判斷。因此需要讓待測進入環(huán)回模式；
• ?進行誤碼率測試：使用規(guī)定好的碼型進行誤碼率測試。

在壓力眼圖的校準時，涉及到信號的特性分析以及調(diào)整迭代，這些都需要反復進行，人工手動操作非常地耗時，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自動化測試軟件（BSXPCI4CEM），如圖2所示。通過泰克公司的PCIe Rx自動化測試軟件，可以大大縮短開發(fā)人員的研發(fā)時間，提供產(chǎn)品的可靠性。

圖2 泰克PCIe Rx自動化軟件GUI界面

對于這個壓力眼圖惡劣到何種程度，必須要進行精確地定量地描述，因此在PCIe的規(guī)范中，給出了這個壓力眼圖的要求。無論是PCIe 3.0還是PCIe 4.0，校準過程都分為兩個階段：

• ?TP1校準：TP1指的是整個參考信道的近端，在該處校準幅度、隨機抖動Rj、正弦抖動Sj、以及Tx EQ。
• ?TP2校準：TP2指的是整個參考信道的遠端，在該處校準DMSI、CMSI、以及最終的眼高/眼寬。

無論是PCIe 3.0，還是PCIe 4.0，TP1的校準過程都是一樣的，而且較為簡單；不區(qū)分待測對象是插卡還是系統(tǒng)板，整個拓撲連接如圖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，耗時較長；并且對于插卡和系統(tǒng)板來說，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，是通過調(diào)整DMSI和Rj來達到最終的眼高/眼寬。而在PCIe 4.0中，則主要通過調(diào)整ISI來使得眼圖接近最終的眼高/眼寬，這一過程為粗調(diào)；然后再通過調(diào)整Sj、DMSI、或幅度來獲得最終的眼圖，這一過程為細調(diào)。

PCIe 3.0的TP2校準的拓撲連接如圖4所示。對于插卡的校準來說，在其拓撲連接中采用的是兩連接頭的拓撲結(jié)構(gòu)，這是為了模擬真實的服務器背板的惡劣信道情況。整個參考信道是由圖4（a）中的物理參考信道和SigTest通過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(tǒng)板的校準

完成了拓撲連接之后，就可以進行PCIe 3.0的TP2的校準了。在最終眼高/眼寬的校準過程，通過調(diào)整Rj和DMSI，來達到最終的眼高/眼寬要求。這里存在的風險是：有時候協(xié)會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ISI板，優(yōu)先來調(diào)節(jié)參考信道的ISI值，來對眼圖進行調(diào)整。當眼圖接近到最終的眼高/眼寬附近時，再通過調(diào)整DMSI，Sj和幅度來達到最終的眼高/眼寬，并且DMSI，Sj和幅度的調(diào)整范圍做了限制，從而能夠比較真實地模擬現(xiàn)實中的情況。

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封裝損耗之外，其他的信道都是由真實的物理信道組成的。并且由于速率翻倍，在拓撲連接中，鏈路損耗的估算時必須要將連接線纜等的損耗計入在內(nèi)。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。這個參考封裝損耗是為了模擬真實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(tǒng)板的校準

如前所述，在PCIe 4.0的校準過程中，需要參考信道的ISI值，這就涉及到一個ISI pair的迭代過程，整個迭代過程的起點是-28 dB的端到端的損耗，依據(jù)計算出來的眼高/眼寬來確定下一個ISIpair；端到端的損耗調(diào)整范圍為-27 dB ~ 30dB。泰克公司的PCIe Rx自動化軟件能夠提供鏈路端到端損耗的估算，用戶可以自行決定是否繼續(xù)進行ISI迭代。

進入環(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)議級別的動態(tài)應答和訓練。在工業(yè)界中，一般稱這樣的儀器為“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，用戶還可以通過自帶的Pattern Sequencer功能完成各種自主開發(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來說，從狀態(tài)機的角度，有兩種方式進入環(huán)回模式，如圖7所示：

（a） （b）

圖 7 PCIe 3.0&4.0進入環(huán)回模式：（a）從Configuration進入 （b）從Recovery進入

進行誤碼率測試

若成功了進入了Loopback，那么后續(xù)的誤碼率測試就很簡單。誤碼儀發(fā)送ModifiedCompliance Pattern，檢查1012個比特數(shù)據(jù)；若不超過1個誤碼；那么就算通過；否則就未通過。

診斷和調(diào)試

在實際的Rx LEQ的測試中，經(jīng)常由于種種原因，無法進入到環(huán)回模式；或者就算進入到了環(huán)回模式，也存在較多的誤碼。這個時候，我們就需要超出一致性測試；而進行一系列的調(diào)試工作，來找出根因（Root Cause）。

圖8 使用誤碼儀的眼圖功能觀測待測對象的環(huán)回數(shù)據(jù)輸出的信號質(zhì)量

泰克公司PCIe Rx自動化測試軟件，除了提供協(xié)會所要求的一致性測試之外，還提供了豐富的調(diào)試功能。再配合上BSX系列的誤碼儀的通用調(diào)試功能，能夠為用戶提供全方位的靈活性。

在進行Rx LEQ環(huán)回測試時，有兩條數(shù)據(jù)通路：接收數(shù)據(jù)通路和環(huán)回數(shù)據(jù)通路。由于Rx LEQ是針對接收數(shù)據(jù)通路的測試，因此用戶必須保證不會由于環(huán)回數(shù)據(jù)通路的原因而導致誤碼儀的DET進行了誤判。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。這樣用戶再不進行任何拓撲連接改變的情況下，就能夠進行誤碼的調(diào)試。

用戶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(wěn)定地進入Compliance模式，然后通過這個ran文件進行碼型切換，將被測對象的輸出端切換到8Gbps或16Gbps，觀察哪個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(shù)據(jù)通路不會引入誤判的誤碼。

倘若排除了環(huán)回數(shù)據(jù)通路所引入的誤判的誤碼；Rx LEQ仍然存在誤碼。這個時候，用戶需要進一步分析誤碼的來源，比如說是否是DUT的均衡算法沒有達到最優(yōu)，從而沒有像鏈路對端請求最優(yōu)的Tx EQ值。此時，用戶可以使用泰克公司提供的“BER Test”來對整個系數(shù)空間進行掃描，若測得的結(jié)果表明：在系數(shù)空間中存在一些系數(shù)組合能夠達到?jīng)]有誤碼，那么說明DUT的均衡算法未達到最優(yōu)。

圖9 對Tx EQ的系數(shù)空間進行掃描的誤碼率測試

在此基礎上還可以進行裕度測試。泰克的自動化軟件提供對Sj和DMSI的裕度測試，如圖10、11所示。

圖 10 正弦抖動的裕度測試：（a） 設定界面 （b） 掃描測試界面

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、以及靈活的自動化軟件，能夠大大縮短用戶的開發(fā)時間，使得用戶的產(chǎn)品在市場上更具競爭力。