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中的動態均衡技術，本文介紹其原理、實現及其相關的一致性測試，這種動態均衡技術被稱作“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試，泰克公司的自動化軟件為此提供了業界最優的解決方案。

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，通常只要保證了發送端的信號質量，那么整個系統也就能夠正常工作；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；并且又經過長走線的傳輸，因此在接收端采用了復雜的均衡技術；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系列的誤碼儀是業界高性能的串行誤碼儀，能夠實現高達32Gbps的碼型發生和誤碼分析功能，同時其內部集成有預加重模塊、噪聲注入、抖動注入等，支持基于協議的握手功能。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協會的規范開發人員，在面臨此種困難時，開發了一套被稱作“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、進入環回模式、進行誤碼率測試。

?壓力眼圖的校準就是：定量地規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；
?進入環回模式：為了檢測接收端是否正確接收該信號；需要將已經接收到的信號原封不動地環回到待測的發送端；然后誤碼儀對這個環回的信號進行判斷。因此需要讓待測進入環回模式；
?進行誤碼率測試：使用規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，泰克公司提供了業界最優的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，可以大大縮短開發人員的研發時間，提供產品的可靠性。

PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試（下篇：實踐篇）

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；不區分待測對象是插卡還是系統板，整個拓撲連接如圖3所示。

PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試（下篇：實踐篇）

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，則主要通過調整ISI來使得眼圖接近最終的眼高/眼寬，這一過程為粗調；然后再通過調整Sj、DMSI、或幅度來獲得最終的眼圖，這一過程為細調。

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構，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。

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（a）（b）

圖4 PCIe 3.0 TP2校準拓撲連接：（a）插卡的校準（b）系統板的校準

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，優先來調節參考信道的ISI值，來對眼圖進行調整。當眼圖接近到最終的眼高/眼寬附近時，再通過調整DMSI，Sj和幅度來達到最終的眼高/眼寬，并且DMSI，Sj和幅度的調整范圍做了限制，從而能夠比較真實地模擬現實中的情況。

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。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。

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（a）（b）

圖5 PCIe 4.0 TP2校準拓撲連接：（a）插卡的校準（b）系統板的校準

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，依據計算出來的眼高/眼寬來確定下一個ISIpair；端到端的損耗調整范圍為-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進行ISI迭代。

進入環回模式

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議級別的動態應答和訓練。在工業界中，一般稱這樣的儀器為“協議感知”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的標準的測試。

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圖6 泰克公司的協議感知型誤碼儀：BSX系列

對于PCIe 3.0 & 4.0來說，從狀態機的角度，有兩種方式進入環回模式，如圖7所示：

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（a）（b）

圖 7 PCIe 3.0&4.0進入環回模式：（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，那么后續的誤碼率測試就很簡單。誤碼儀發送ModifiedCompliance Pattern，檢查1012個比特數據；若不超過1個誤碼；那么就算通過；否則就未通過。

診斷和調試

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

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圖8 使用誤碼儀的眼圖功能觀測待測對象的環回數據輸出的信號質量

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

在進行Rx LEQ環回測試時，有兩條數據通路：接收數據通路和環回數據通路。由于Rx LEQ是針對接收數據通路的測試，因此用戶必須保證不會由于環回數據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，就能夠保證環回數據通路不會引入誤判的誤碼。

倘若排除了環回數據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，從而沒有像鏈路對端請求最優的Tx EQ值。此時，用戶可以使用泰克公司提供的“BER Test”來對整個系數空間進行掃描，若測得的結果表明：在系數空間中存在一些系數組合能夠達到沒有誤碼，那么說明DUT的均衡算法未達到最優。

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