信號(hào)和協(xié)議測(cè)試方案_圖文

1、PCIE Gen1-Gen2 信號(hào)和協(xié)議測(cè)試方案PCI-Express的前身是PCI和PCI-X,相對(duì)傳統(tǒng)的并行總線(xiàn)架構(gòu)來(lái)說(shuō),PCIE 采用多對(duì)高速串行總線(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接,因此可以提供很高的總線(xiàn)帶寬,同時(shí)由于上層與PCI的兼容性和成熟的技術(shù),在臺(tái)式機(jī)、筆記本、服務(wù)器等應(yīng)用中已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)的接口,在很多需要高速數(shù)據(jù)交換嵌入式的應(yīng)用中,PCIE也越來(lái)越普及。PCIE采用多對(duì)高速差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)速率可以是1代的2.5Gbps或2代的5Gbps,根據(jù)總線(xiàn)吞吐帶寬的要求,可以選擇x1/ x2/ x4/ x8/ x16/ x32的模式,即可以根據(jù)需要選擇需要的差分對(duì)的數(shù)量,使用起來(lái)非常靈活。為了保證

2、高速信號(hào)的傳輸,PCIE使用差分線(xiàn)提供雙向數(shù)據(jù)收發(fā),因此可以用比較小的信號(hào)擺幅提供更高的傳輸速率,而且差分線(xiàn)本身具有更好的抗干擾能力和更小的EMI,可以支持更長(zhǎng)的電纜傳輸。PCIE的測(cè)試主要分為物理層的信號(hào)測(cè)試和傳輸層/數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議測(cè)試,下面從兩個(gè)個(gè)方面分別介紹。一、PCIE的信號(hào)測(cè)試由于PCIE的信號(hào)速率比較高,因此要對(duì)PCIE信號(hào)進(jìn)行可靠的探測(cè),對(duì)于示波器和探頭的要求也非常高。PCIE的信號(hào)電氣規(guī)范主要是參照PCI-SIG發(fā)布的PCI Express® Base Specification Revision 2.0第四章物理層部分的要求,其測(cè)試方法可以參考PCI-SIG網(wǎng)站上

3、關(guān)于一致性測(cè)試的要求。對(duì)于PCIE的1代信號(hào)的測(cè)試需要示波器的帶寬是6GHz,對(duì)于PCIE的2代信號(hào)的測(cè)試需要示波器的帶寬是13GHz。Agilent的DSA90000系列示波器由于具有業(yè)內(nèi)最小的底噪聲和觸發(fā)抖動(dòng),最平坦的帶內(nèi)頻響特性和很小的Return Loss,因此非常適合于進(jìn)行象PCIE這樣的高速信號(hào)的測(cè)量。同時(shí)Agilent的DSA90000系列示波器還具有業(yè)內(nèi)最深的存儲(chǔ)深度(每通道的內(nèi)存可以到1Gpts,適合用于復(fù)雜事件的記錄和分析。 要進(jìn)行PCIE信號(hào)的測(cè)試,只有示波器是不夠的,為了方便地進(jìn)行PCIE信號(hào)的分析,還需要有測(cè)試夾具和測(cè)試軟件。測(cè)試夾具的目的是把PCIE信號(hào)引出,提供一

4、個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試接口以方便測(cè)試,測(cè)試夾具可以從PCI-SIG購(gòu)買(mǎi)( Load Board和CBB(Compliance Base Board。CLB用于主板的測(cè)試,CBB用于PCIE接口卡的測(cè)試。下圖是夾具的圖示。 對(duì)于一些嵌入式的PCIE應(yīng)用,由于沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的PCIE插槽,所以可以使用焊接探頭的連接方式,即通過(guò)焊接探頭焊在接收端進(jìn)行信號(hào)測(cè)試。另外,PCIE規(guī)定了很多PCIE信號(hào)的參數(shù),如果不借助相應(yīng)的軟件,要完全手動(dòng)進(jìn)行這些參數(shù)的測(cè)量是一件非常煩瑣和耗時(shí)耗力的工作,為了便于用戶(hù)完成PCIE信號(hào)的測(cè)量,可以選擇PCI-SIG的SigTest軟件示波器廠(chǎng)家會(huì)提供的相應(yīng)的測(cè)試軟件。下圖是Agilent

5、N5393B PCIE一致性測(cè)試軟件提供的測(cè)試項(xiàng)目。 只需要順序選擇好測(cè)試速率、測(cè)試項(xiàng)目并根據(jù)提示進(jìn)行連接,然后運(yùn)行測(cè)試軟件即可。下圖是軟件中提供的一個(gè)連接示意圖: 軟件運(yùn)行后,示波器會(huì)自動(dòng)設(shè)置時(shí)基、垂直增益、觸發(fā)等參數(shù)并進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量結(jié)果會(huì)匯總成一個(gè)html格式的測(cè)試報(bào)告,報(bào)告中列出了測(cè)試的項(xiàng)目、是否通過(guò)、spec的要求、實(shí)測(cè)值、margin等。如下圖所示: 同時(shí),由于PCIE的抖動(dòng)測(cè)試中要求分別測(cè)試TJ和DJ的大小,而信號(hào)中抖動(dòng)的成因是很復(fù)雜的的,總的抖動(dòng)成分TJ中包含了確定性抖動(dòng)DJ和隨機(jī)抖動(dòng)RJ,而DJ和RJ又分別是由很多因素構(gòu)成。PCIE要準(zhǔn)確測(cè)量TJ和DJ,需要借助于相應(yīng)的抖動(dòng)分析

6、軟件,因此PCIE信號(hào)的抖動(dòng)測(cè)量還需要Agilent 的EzJIt Plus軟件幫助完成抖動(dòng)的分解。下圖是抖動(dòng)的分解圖以及EzJItPlus的一個(gè)測(cè)試?yán)印?為了控制EMI,PCIE中還定義了擴(kuò)頻時(shí)鐘(SSC,在使用SSC的情況下, PCIE的數(shù)據(jù)速率可以在(-0.5%0的范圍內(nèi)變化,調(diào)制頻率3033kHz,下表是對(duì)SSC的定義: 也就是說(shuō),對(duì)于PCIE II來(lái)說(shuō),允許數(shù)據(jù)速率在(5G-25Mbps5Gbps 間變化,變化頻率是3033kHz。借助于EzJit軟件,可以方便地進(jìn)行SSC 的調(diào)制頻率和調(diào)制深度的測(cè)量。在PCIE的抖動(dòng)和模板的測(cè)試中,需要先從數(shù)據(jù)流中恢復(fù)出理想時(shí)鐘,以此為基準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)

7、量,否則眼圖和抖動(dòng)的測(cè)量都是沒(méi)有依據(jù)的。如下表中是PCIE的Receiver的時(shí)鐘鎖相環(huán)的帶寬要求。 要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)從數(shù)據(jù)流中恢復(fù)時(shí)鐘,就還需要借助Agilent的高速串行數(shù)據(jù)分析軟件E2688A。E2688A可以靈活設(shè)置PCIE時(shí)鐘恢復(fù)所需要的鎖相環(huán)形狀及帶寬,還可以提供PCIE信號(hào)的眼圖和模板測(cè)試功能并對(duì)PCIE的8b/10b 的數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼,對(duì)于高速串行數(shù)據(jù)的調(diào)試是非常有用的一個(gè)工具,下圖是PCIE的眼圖測(cè)試和8b/10b解碼的結(jié)果。 對(duì)于模板測(cè)試失敗的波形,Agilent的DSA90000示波器還有一個(gè)非常獨(dú)特的功能:失效bit定位,即可以將模板測(cè)試的波形展開(kāi),看到造成模板測(cè)試的各個(gè)特定

8、的bit,這對(duì)于定位問(wèn)題的原因非常有用。下圖是個(gè)失效bit定位的例子。 以上所說(shuō)的主要是PCIE TX的測(cè)試,我們知道TX測(cè)試需要13GHz帶寬的示波器,測(cè)試夾具和測(cè)試軟件。如果要進(jìn)行RX的測(cè)試,還需要J-BERT碼型發(fā)生器做信號(hào)激勵(lì),DCA86100采樣示波器做信號(hào)分析,VNA做阻抗測(cè)試等,并借助相應(yīng)軟件完成自動(dòng)測(cè)試,下圖是一個(gè)完整的測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試軟件。二、PCIE的協(xié)議測(cè)試信號(hào)測(cè)試的目的是從物理層保證高速信號(hào)的正確傳輸,而協(xié)議的測(cè)試側(cè)重于從數(shù)據(jù)鏈路層和協(xié)議層驗(yàn)證系統(tǒng)的功能。對(duì)于協(xié)議層的測(cè)試有幾個(gè)不同層面的要求: 1/ 數(shù)據(jù)包的捕獲和解包,要求能可靠地捕捉到被測(cè)信號(hào),并進(jìn)行包數(shù)據(jù)的解碼2/

9、基于包內(nèi)容和錯(cuò)誤條件的觸發(fā)3/ PCIE和其它總線(xiàn)關(guān)系的洞察能力4/ 通過(guò)訓(xùn)練器和被測(cè)件的交互,主動(dòng)驗(yàn)證被測(cè)件的功能要完成上述功能的測(cè)試,需要用到相應(yīng)的協(xié)議分析儀,Agilent的E2960B是唯一能夠完成上述所有功能的PCIE協(xié)議測(cè)試儀,它也是PCI-SIG做PCIE Gen1/Gen2測(cè)試的推薦儀器。Agilent的E2960B是基于機(jī)箱式結(jié)構(gòu)的協(xié)議分析儀,通過(guò)外部PC用以太網(wǎng)口控制,用戶(hù)可以根據(jù)需要選配不同測(cè)量模塊完成不同功能的測(cè)試。 1、數(shù)據(jù)包的捕獲和解包要進(jìn)行正確的協(xié)議分析,第一步是可靠的信號(hào)探測(cè)。目前PCIE的信號(hào)速率達(dá)到5Gbps,同時(shí)位寬又可以達(dá)到x16雙向,如何進(jìn)行這么多對(duì)高

10、速差分信號(hào)的可靠探測(cè)就成為必需面對(duì)的挑戰(zhàn)。根據(jù)不同的測(cè)試應(yīng)用,Agilent提供了3種不同的探測(cè)方案:Interposer的轉(zhuǎn)接卡方式,Midbus的無(wú)連接器探頭方式和差分飛線(xiàn)探頭的方式。 Interposer轉(zhuǎn)接卡適用于被測(cè)件上有標(biāo)準(zhǔn)PCIE接口的情況,它插在主板和插卡的標(biāo)準(zhǔn)的PCIE插槽間,可以把中間的數(shù)據(jù)流捕獲下來(lái),這是最方便的一種連接方式。Midbus是一種無(wú)連接器的探頭,適合于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,用戶(hù)可以在布PCB板時(shí)事先把被測(cè)信號(hào)連接到按一定規(guī)則排列的裸焊盤(pán)上,Midbs探頭的前端是2排有彈性的測(cè)試針,可以可靠地刺在焊盤(pán)上完成測(cè)試。如果用戶(hù)前兩種方法都不能采用,則可以考慮第3種飛線(xiàn)探

11、頭的探測(cè)方式,通過(guò)把飛線(xiàn)探頭的前端焊接在被測(cè)信號(hào)上完成測(cè)試,這是最靈活的一種探測(cè)方式。Agilent是唯一能夠同時(shí)提供這3種PCIE探測(cè)方式的公司。信號(hào)送入?yún)f(xié)議分析儀模塊后,協(xié)議分析儀內(nèi)部的硬件模塊就可以根據(jù)PCIE 的協(xié)議對(duì)捕獲到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼,解出數(shù)據(jù)鏈路層和傳輸層的包數(shù)據(jù)。E2960B 的分析模塊可以支持最大2GB的波形數(shù)據(jù)可以支持非常長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)捕獲,同時(shí)具有業(yè)內(nèi)最快的鎖定時(shí)間,其典型鎖定時(shí)間是11個(gè)training序列,可以很快捕獲到速率切換等事件。用戶(hù)不僅可以看到包里各個(gè)部分的內(nèi)容,也可以看到payload和各條lane上的數(shù)據(jù),以下是一個(gè)包分析的窗口舉例。 根據(jù)需要,用戶(hù)還可以

12、自己定義filter濾除不關(guān)心的數(shù)據(jù)包,并對(duì)總線(xiàn)的流量做統(tǒng)計(jì)。2、基于包內(nèi)容和錯(cuò)誤條件的觸發(fā)要進(jìn)行協(xié)議分析和故障定位,僅僅有解碼功能是不夠的,很多時(shí)候我們要關(guān)注如何觸發(fā)到我們關(guān)心的事件或錯(cuò)誤發(fā)生的時(shí)刻。E2960B強(qiáng)大的硬件電路提供了業(yè)內(nèi)最豐富的觸發(fā)條件,用戶(hù)可以根據(jù)需要任意編輯自己的觸發(fā)序列捕捉特定的數(shù)據(jù)包,還可以基于30多種協(xié)議錯(cuò)誤進(jìn)行觸發(fā)。以下是E2960B支持的觸發(fā)條件。 3、PCIE和其它總線(xiàn)關(guān)系的洞察能力很多時(shí)候用戶(hù)的PCIE并不是一個(gè)孤立的系統(tǒng),PCIE可能是和PCI、Memory 等總線(xiàn)協(xié)同工作的,單單捕獲PCIE的數(shù)據(jù)不足以分析整個(gè)系統(tǒng)的工作情況。所以Agilent的E296

13、0B還提供了P2L GateWay的功能,可以和Agilent的邏輯分析儀協(xié)同工作,用戶(hù)只需要用一臺(tái)PC就可以通過(guò)以太網(wǎng)口同時(shí)控制PCIE協(xié)議分析儀和邏輯分析儀,并同時(shí)捕獲不同總線(xiàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析。 4、通過(guò)訓(xùn)練器和被測(cè)件的交互協(xié)議分析儀只能進(jìn)行數(shù)據(jù)捕獲,有些時(shí)候系統(tǒng)的功能驗(yàn)證光靠捕獲數(shù)據(jù)是不夠的,還需要能主動(dòng)和被測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行交互以驗(yàn)證系統(tǒng)的功能是否正常,這時(shí)候就要用到PCIE的訓(xùn)練器。訓(xùn)練器可以任意編輯PCIE的數(shù)據(jù)包和被測(cè)系統(tǒng)交互,也可以故意產(chǎn)生一些錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包驗(yàn)證系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。下面是N5309A PCIE Gen1/Gen2訓(xùn)練器和測(cè)試背板,它可以直接插在主板上進(jìn)行主板的測(cè)試,也可以通過(guò)背板進(jìn)行PCIE插卡的測(cè)試。 N5309A除了可以實(shí)現(xiàn)訓(xùn)練器功能外,還可以進(jìn)行LTSSM的測(cè)試,另外還有一個(gè)很重要的功能就是可以作為協(xié)議的一致性測(cè)試卡(PTC功能,PTC根據(jù)PCI-SIG 的要求定義了很多測(cè)試案例,通過(guò)運(yùn)行這些測(cè)試案例并把測(cè)試結(jié)果生成報(bào)告,PTC