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PCIe Gen3/Gen4接收端链路均衡测试—实践篇

聚焦于PCIe3.0和4.0中的动态均衡技术 ， 本文介绍其原理、实现及其相关的一致性测试 ， 这种动态均衡技术被称作“LinkEqualization”（链路均衡 ， 简称为LEQ） 。 本系列文章分上下两篇 ， 本文是下篇实践篇 ， 重点介绍Rx链路均衡的测试和调试 ， 泰克公司的自动化软件为此提供了业界最优的解决方案 。
接收端链路均衡测试（RxLEQ）
在PCIe2.0的时代 ， 通常只要保证了发送端的信号质量 ， 那么整个系统也就能够正常工作；因此接收端测试并不是必测项 。 但在PCIe3.0/4.0中 ， 由于速率成倍的增加；并且又经过长走线的传输 ， 因此在接收端采用了复杂的均衡技术；因此在PCIe3.0/4.0中接收端测试属于必测项 。
泰克公司的BSX系列的误码仪是业界高性能的串行误码仪 ， 能够实现高达32Gbps的码型发生和误码分析功能 ， 同时其内部集成有预加重模块、噪声注入、抖动注入等 ， 支持基于协议的握手功能 。 因此非常适合PCIe3.0和4.0的接收端测试 。 由于BSX系列最高支持到32Gbps ， 因此它也可以充分地满足未来的PCIe5.0的接收端测试的要求 。 图1是使用BSX系列的误码仪进行PCIe3.0d的接收端测试的示意图 。
PCIe Gen3/Gen4接收端链路均衡测试—实践篇
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图1PCIe3.0的接收端测试的示意图
在PCIe3.0&4.0的接收端内部集成了复杂的单元 ， 例如：均衡电路、时钟恢复电路、以及判决电路等；它们都是不能直接探测到的 。 因此 ， 接收端对于测试人员来说 ， 是一个黑盒子 。 PCI-SIG协会的规范开发人员 ， 在面临此种困难时 ， 开发了一套被称作“压力眼图（StressedEye）”的方法论来完成对接收端的评估 。 这种方法论的核心思想就是：通过向接收端施加一个严重劣化的信号（即压力眼图） ， 来检测在此种情况下 ， 接收端是否仍能够正确地接收信号 。 因此 ， 无论是PCIe3.0&4.0RxLEQ的测试 ， 基本上都可以分解成三个步骤：压力眼图的校准、进入环回模式、进行误码率测试 。
压力眼图的校准就是：定量地规定这个劣化信号劣化到何种程度、以及测量该劣化信号的方法；
进入环回模式：为了检测接收端是否正确接收该信号；需要将已经接收到的信号原封不动地环回到待测的发送端；然后误码仪对这个环回的信号进行判断 。 因此需要让待测进入环回模式；
进行误码率测试：使用规定好的码型进行误码率测试 。
在压力眼图的校准时 ， 涉及到信号的特性分析以及调整迭代 ， 这些都需要反复进行 ， 人工手动操作非常地耗时 ， 并且吃力不讨好 。 为此 ， 泰克公司提供了业界最优的PCIeRx自动化测试软件（BSXPCI4CEM） ， 如图2所示 。 通过泰克公司的PCIeRx自动化测试软件 ， 可以大大缩短开发人员的研发时间 ， 提供产品的可靠性 。
PCIe Gen3/Gen4接收端链路均衡测试—实践篇
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图2泰克PCIeRx自动化软件GUI界面
对于这个压力眼图恶劣到何种程度 ， 必须要进行精确地定量地描述 ， 因此在PCIe的规范中 ， 给出了这个压力眼图的要求 。 无论是PCIe3.0还是PCIe4.0 ， 校准过程都分为两个阶段：
TP1校准：TP1指的是整个参考信道的近端 ， 在该处校准幅度、随机抖动Rj、正弦抖动Sj、以及TxEQ 。
TP2校准：TP2指的是整个参考信道的远端 ， 在该处校准DMSI、CMSI、以及最终的眼高/眼宽 。
无论是PCIe3.0 ， 还是PCIe4.0 ， TP1的校准过程都是一样的 ， 而且较为简单；不区分待测对象是插卡还是系统板 ， 整个拓扑连接如图3所示 。
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图3PCIe3.0&4.0的TP1校准拓扑连接
TP2校准则连接较为复杂 ， 耗时较长；并且对于插卡和系统板来说 ， 拓扑连接是不同的 。 而且在PCIe3.0和PCIe4.0中 ， TP2校准的策略有所不同 。 在PCIe3.0中 ， 是通过调整DMSI和Rj来达到最终的眼高/眼宽 。 而在PCIe4.0中 ， 则主要通过调整ISI来使得眼图接近最终的眼高/眼宽 ， 这一过程为粗调；然后再通过调整Sj、DMSI、或幅度来获得最终的眼图 ， 这一过程为细调 。
PCIe3.0的TP2校准的拓扑连接如图4所示 。 对于插卡的校准来说 ， 在其拓扑连接中采用的是两连接头的拓扑结构 ， 这是为了模拟真实的服务器背板的恶劣信道情况 。 整个参考信道是由图4（a）中的物理参考信道和SigTest通过软件嵌入的信道两部分组成 。
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(a)(b)
图4PCIe3.0TP2校准拓扑连接：(a)插卡的校准(b)系统板的校准
完成了拓扑连接之后 ， 就可以进行PCIe3.0的TP2的校准了 。 在最终眼高/眼宽的校准过程 ， 通过调整Rj和DMSI ， 来达到最终的眼高/眼宽要求 。 这里存在的风险是：有时候协会提供的治具一致性较差；需要很大的Rj或DMSI才能够达到最终的眼高/眼宽要求 。 而这并不符合在真实的情况下的Rj和DMSI的情况 。
因此在PCIe4.0中TP2的校准修改了相应的校准策略 ， 引入了一个ISI板 ， 优先来调节参考信道的ISI值 ， 来对眼图进行调整 。 当眼图接近到最终的眼高/眼宽附近时 ， 再通过调整DMSI ， Sj和幅度来达到最终的眼高/眼宽 ， 并且DMSI ， Sj和幅度的调整范围做了限制 ， 从而能够比较真实地模拟现实中的情况 。
PCIe4.0的TP2校准的拓扑连接如图5所示 。 与PCIe3.0相比 ， 除了参考信道的末端嵌入了一个封装损耗之外 ， 其他的信道都是由真实的物理信道组成的 。 并且由于速率翻倍 ， 在拓扑连接中 ， 链路损耗的估算时必须要将连接线缆等的损耗计入在内 。 值得注意的是：封装损耗是在示波器之中嵌入的 ， 而不是在SigTest中 。 这个参考封装损耗是为了模拟真实情况下的芯片封装损耗 ， 由于RC芯片（RootComplex）的封装一般比EP芯片（Endpoint）的封装要大 ， 因此针对RC的参考封装损耗为5dB；而针对EP的参考封装损耗为3dB 。
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(a)(b)
图5PCIe4.0TP2校准拓扑连接：(a)插卡的校准(b)系统板的校准
如前所述 ， 在PCIe4.0的校准过程中 ， 需要参考信道的ISI值 ， 这就涉及到一个ISIpair的迭代过程 ， 整个迭代过程的起点是-28dB的端到端的损耗 ， 依据计算出来的眼高/眼宽来确定下一个ISIpair；端到端的损耗调整范围为-27dB~30dB 。 泰克公司的PCIeRx自动化软件能够提供链路端到端损耗的估算 ， 用户可以自行决定是否继续进行ISI迭代 。
进入环回模式
LEQ的测试对测试仪器提出了很高的要求 。 它要求测试仪器能够完成协议级别的动态应答和训练 。 在工业界中 ， 一般称这样的仪器为“协议感知”型仪器（Protocol-awareInstrument） 。
泰克公司的BSX系列误码仪就是这样的一种协议感知型仪器 ， 支持的速率最高可到32Gbps；可以支持多种标准协议 ， 例如PCIe3.0&4.0&5.0、USB3.1&3.2等 。 另外 ， 用户还可以通过自带的PatternSequencer功能完成各种自主开发的标准的测试 。
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图6泰克公司的协议感知型误码仪：BSX系列
对于PCIe3.0&4.0来说 ， 从状态机的角度 ， 有两种方式进入环回模式 ， 如图7所示：
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(a)(b)
图7PCIe3.0&4.0进入环回模式：(a)从Configuration进入(b)从Recovery进入
进行误码率测试
若成功了进入了Loopback ， 那么后续的误码率测试就很简单 。 误码仪发送ModifiedCompliancePattern ， 检查1012个比特数据；若不超过1个误码；那么就算通过；否则就未通过 。
诊断和调试
在实际的RxLEQ的测试中 ， 经常由于种种原因 ， 无法进入到环回模式；或者就算进入到了环回模式 ， 也存在较多的误码 。 这个时候 ， 我们就需要超出一致性测试；而进行一系列的调试工作 ， 来找出根因（RootCause） 。
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图8使用误码仪的眼图功能观测待测对象的环回数据输出的信号质量
泰克公司PCIeRx自动化测试软件 ， 除了提供协会所要求的一致性测试之外 ， 还提供了丰富的调试功能 。 再配合上BSX系列的误码仪的通用调试功能 ， 能够为用户提供全方位的灵活性 。
在进行RxLEQ环回测试时 ， 有两条数据通路：接收数据通路和环回数据通路 。 由于RxLEQ是针对接收数据通路的测试 ， 因此用户必须保证不会由于环回数据通路的原因而导致误码仪的DET进行了误判 。 泰克的BSX系列的误码仪具有丰富的眼图测试功能 ， 如图8所示 。 这样用户再不进行任何拓扑连接改变的情况下 ， 就能够进行误码的调试 。
用户可以使用泰克公司提供的“EmptyA–ModifiedComplianceB.ram”文件 ， 就能够使得被测对象稳定地进入Compliance模式 ， 然后通过这个ran文件进行码型切换 ， 将被测对象的输出端切换到8Gbps或16Gbps ， 观察哪个预设定值能够给出最好的眼图 。 然后在图9中设置“Preset/Hint”成刚才的预设置 ， 就能够保证环回数据通路不会引入误判的误码 。
倘若排除了环回数据通路所引入的误判的误码；RxLEQ仍然存在误码 。 这个时候 ， 用户需要进一步分析误码的来源 ， 比如说是否是DUT的均衡算法没有达到最优 ， 从而没有像链路对端请求最优的TxEQ值 。 此时 ， 用户可以使用泰克公司提供的“BERTest”来对整个系数空间进行扫描 ， 若测得的结果表明：在系数空间中存在一些系数组合能够达到没有误码 ， 那么说明DUT的均衡算法未达到最优 。
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图9对TxEQ的系数空间进行扫描的误码率测试
在此基础上还可以进行裕度测试 。 泰克的自动化软件提供对Sj和DMSI的裕度测试 ， 如图10、11所示 。
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图10正弦抖动的裕度测试：(a)设定界面(b)扫描测试界面
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图11差模噪声的裕度测试：(a)设定界面(b)扫描测试界面
【PCIe Gen3/Gen4接收端链路均衡测试—实践篇】泰克公司提供了业界领先的关于PCIe3.0&4.0的一致性解决方案 ， 通过使用泰克公司的高性能的示波器、高性能的误码仪、以及灵活的自动化软件 ， 能够大大缩短用户的开发时间 ， 使得用户的产品在市场上更具竞争力 。


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