測試SSD芯片，需要很多很多不一樣的設備

儀器：Emulator

在SSD主控芯片設計階段，除了RTL Simulation以外，通常還會進行Verification的工作，而Verification中就會使用到Emulator或者FPGA。

先說一下Simulation和Emulation的區(qū)別：

Simulator是做仿真，基于軟件，重點是實現(xiàn)芯片的功能并輸出結果；

Emulator是做模擬，用硬件實現(xiàn)，通過模擬實現(xiàn)芯片的內部設計，從而實現(xiàn)功能并輸出結果；

業(yè)界比較知名的Emulator提供商Cadence，旗下的Emulator產品Palladium系列，如圖所示。

圖1-1 Emulator

按照官方的說法，這貨可以做Simulation，Simulation Acceleration和Emulation。

在設計SSD主控芯片時，Emulator和FPGA都可以用于ASIC Verification，那這兩者區(qū)別有哪些? 個人理解，主要有這么幾點：

1. 價格：Emulator大概百萬刀級別，F(xiàn)PGA大概是數(shù)千到萬刀級別 ；

2. 能力：Emulator的邏輯可以到23億門（這是老款Palladium XP，最新款據Palladium Z1達到了90億門），F(xiàn)PGA大概是百萬門級別。對應到SSD主控里，一塊FPGA可能只能模擬前段（PCIe+NVMe)，后端（閃存 Controller）可能需要另外一塊FPGA， 而Emulator，只要你想塞，整個ASIC的RTL塞進入也是妥妥的；

3. Debug：Emulator可以比較方便的導出ASIC攻城獅所需要的信號并抓取硬件邏輯波形，而FPGA在連接協(xié)議分析儀，邏輯分析儀方面比較方便；

4. 速度：Emulator雖然好，但是速度比FPGA要慢的多 – 來個傳說中的例子：如果FPGA上boot一個OS要幾個小時，那Emulator上boot一個OS可能要幾天

5. 逼格：FPGA是個公司就能有，Emulator則絕對是實力的彰顯—有領導，VIP來參觀的時候，給參觀一下，頓時就跟其他公司拉開差距了；

歸根結底，Emulator和FPGA都是很好的工具，需要正確，合理地使用，才能更好地在芯片研發(fā)階段發(fā)現(xiàn)更多ASIC問題。

Emulator（或FPGA）另一個好處是，固件團體可以使用這些工具提前開始開發(fā)，不用等芯片回來以后，先經歷“不死也要脫層皮”的Bringup階段，然后才開始“遇到問題不知道硬件原因還是代碼原因的”開發(fā)階段。

Emulator – 致力于構建SSD主控和諧團隊！

儀器：協(xié)議分析儀（Analyzer）

要測試SSD，需要很多很多不一樣的設備，需要花很多很多的銀子。

目前市面上的SSD接口挺多，有什么SATA，SAS，PCIe，U.2, M.2, MSATA, GumStick，其實走的前端協(xié)議就兩大類： SATA/SAS和PCIe。

一顆SSD主控一般分前、中、后三段，前端就是SATA/SAS和PCIe這些配上AHCI或者NVMe，中段就是FTL，后端就是閃存控制器。

FTL是純軟件實現(xiàn)，測這個基本上不需要什么設備。

后端跟閃存打交道，主要用邏輯分析儀，另一種巨貴的儀器，這里不展開說。

這里先聊兩種協(xié)議分析儀，SATA/SAS Analyzer 和 PCIe Analyzer。

Analyzer是個啥玩意兒？你可以這么理解，以SATA Analyzer為例， SATA Host和SATA SSD之間傳輸命令和數(shù)據，就像兩個人在打電話，不在這個線路上的你，正常情況下是聽不到的他們說了什么的。

Analyzer就相當于在他們兩之間裝了一個竊聽器，這樣你就可以完完整整的知道他們之間的對話，同時他們倆并不會察覺。

SATA/SAS Analyzer的供應商，平時接觸比較多的有兩家：SerialTek和LeCroy。

圖為SerialTek SATA/SAS Analyzer

圖1-2 SerialTek SATA/SAS協(xié)議分析儀

連在主機和SSD之間是這么個樣子，如圖所示。

圖1-3 SATA 協(xié)議分析儀連接示意圖

抓到的Trace是這個樣子，如圖所示。

圖1-4 SATA Trace示例

PCIe Analyzer的供應商，主要有三家：LeCroy，SerialTek和Agilent。

圖為LeCroy的PCIe Analyzer：

圖1-5 LeCroy PCIe 協(xié)議分析儀

配有各種Interposer卡，如圖所示：

圖1-6 LeCroy PCIe 協(xié)議分析儀 Interposer cards

抓到的Trace是這個樣子的（這是一個NVMe讀寫的命令，LeCroy可以幫你解碼NVMe，AHCI這種常見的存儲協(xié)議），圖7-14中，軟件將PCIe Trace中的NVMe命令解析了出來。

圖1-7 PCIe軟件解析NVMe指令

使用PCIe Analyzer可以測量PCIe的物理層，鏈路層，事物層。跟示波器不同，Analyzer可以基于PCIe協(xié)議將鏈路上所有Lane上發(fā)生的事務都解析出來，并且還提供Trigger（觸發(fā)）的功能 。

對于Analyzer的一大挑戰(zhàn)就是在鏈路電源狀態(tài)切換的過程能夠快速適應，越早能夠實現(xiàn)正確的抓包并解析越好。

這點在調試的時候尤其重要，看一個實際的例子：對一個寄存器做CfgWr操作，但是結果發(fā)現(xiàn)寫進去的值不對，而且這個問題只在ASPM enable的時候才會發(fā)生。

電源狀態(tài)切換對于PCIe 發(fā)送端和接收端來說是屬于壓力比較大的操作，因此有時會導致鏈路不穩(wěn)定從而發(fā)送錯誤的包。這種問題調試需要抓trace，而analyzer必須在鏈路從L0s退出進入L0時發(fā)送的TLP都抓到，否則就無法查看錯誤到底在什么地方。而L0S退出的時間非常短，Analyzer需要在鏈路從electrical idle（空閑狀態(tài)）退出后非常短的時間內（幾十個FTS）就能正確抓包并解析。

工具是死的，人是活的，啥時候抓trace，抓哪個階段，抓的時候滿屏的紅色怎么辦，怎么設Trigger，trace怎么分析？這些就需要攻城獅們自己花時間琢磨了。

儀器：Jammer

再牛的肖邦，也彈不出SSD廠商的悲傷。

一塊SSD到不同客戶手上，不知道會接在什么機器，使用什么樣的OS和主機驅動，在什么環(huán)境下使用，

結合巨大的使用數(shù)量，不知道哪天某塊SSD就會從主機那邊收到一個不按套路出牌的FIS或者Primitive （SATA SSD）。

舉個例子: 主機發(fā)了一個讀命令，SSD二話不說開始干活，辛辛苦苦把數(shù)據從閃存里讀出來，仔仔細細的進行ECC解碼，小心翼翼傳到DDR，進行MPECC檢查，再全神貫注的傳到SATA模塊的某個FIFO，這時候SSD抹抹頭上的汗，把手擦干凈，寫了一張字條，上書”X_RDY”, 恭恭敬敬的遞給主機， 然后把數(shù)據捧在懷里，細心的用SOF包裝好，殷切的期盼主機也回復一張小字條“R_RDY”。主機十分感動的看著SSD，然后回復了一句“R_ERR”拒絕了他。

林子大了，什么樣的客戶都有，但是客戶們的要求是一樣的——“主機虐你千百遍，SSD你要待他如初戀” ——術語叫做Robustness （健壯性）。

為了保證健壯性，ASIC和固件攻城獅們要花大量的精力，腦補各種錯誤可能性，在RTL和FW 中加入相應的錯誤處理（Error Handling）的流程。

這么做有兩個問題：

這些錯誤處理的流程，在實驗室里面跑個一禮拜，可能也撞不到一個；

再牛的攻城獅，也沒法提前考慮到各種錯誤可能性。

與其讓別人找麻煩，不如自己給自己找麻煩。搞測試的就是平時給ASIC和固件找麻煩，以SATA SSD來說，可以用一種工具——Jammer.

圖中小一號的那個就是SATA Jammer。

圖為SATA 協(xié)議分析和Jammer

如果說Analyzer是一個竊聽器，讓你知道主機和設備之間發(fā)生了什么，那么Jammer就是一個郵遞員，主機和設備之間所有的通信都必須經過他的手，然后Jammer可以把信拆開，將里面的內容修改或者替換，再轉發(fā)出去。

結合之前的例子，我們可以把正常主機回復R_RDY改成R_ERR, 從而檢查SSD遇到這種情況處理是否正確。

圖為Jammer管理軟件截圖——向一個Data FIS中故意注入CRC Error。

通過在SATA鏈路上創(chuàng)建各種不同的錯誤，可以確認各種錯誤處理的流程是否正確，或者完善，甚至增加新的流程。

Jammer還有別的用處，當你想知道某種場景（Scenario）發(fā)生以后主機或者設備的反應時，你可以通過Jammer來知道答案。比如當設備回復的SDB里面Error Bit被置上，或者設備一直不發(fā)SDB時，主機是不是會重發(fā)命令，重發(fā)幾次，重發(fā)多次設備都沒反應的話Driver會不會啟動OOB，Application會不會報錯?

Jammer -- 你值得擁有。

本文節(jié)選自《深入淺出SSD：固態(tài)存儲核心技術、原理與實戰(zhàn)》一書