信號和協(xié)議測試方案_圖文

1、PCIE Gen1-Gen2 信號和協(xié)議測試方案PCI-Express的前身是PCI和PCI-X,相對傳統(tǒng)的并行總線架構來說,PCIE 采用多對高速串行總線進行點對點的連接,因此可以提供很高的總線帶寬,同時由于上層與PCI的兼容性和成熟的技術,在臺式機、筆記本、服務器等應用中已經(jīng)成為標準的接口,在很多需要高速數(shù)據(jù)交換嵌入式的應用中,PCIE也越來越普及。PCIE采用多對高速差分信號傳輸數(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的數(shù)量,使用起來非常靈活。為了保證

2、高速信號的傳輸,PCIE使用差分線提供雙向數(shù)據(jù)收發(fā),因此可以用比較小的信號擺幅提供更高的傳輸速率,而且差分線本身具有更好的抗干擾能力和更小的EMI,可以支持更長的電纜傳輸。PCIE的測試主要分為物理層的信號測試和傳輸層/數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議測試,下面從兩個個方面分別介紹。一、PCIE的信號測試由于PCIE的信號速率比較高,因此要對PCIE信號進行可靠的探測,對于示波器和探頭的要求也非常高。PCIE的信號電氣規(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,其測試方法可以參考PCI-SIG網(wǎng)站上

3、關于一致性測試的要求。對于PCIE的1代信號的測試需要示波器的帶寬是6GHz,對于PCIE的2代信號的測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)內最小的底噪聲和觸發(fā)抖動,最平坦的帶內頻響特性和很小的Return Loss,因此非常適合于進行象PCIE這樣的高速信號的測量。同時Agilent的DSA90000系列示波器還具有業(yè)內最深的存儲深度(每通道的內存可以到1Gpts,適合用于復雜事件的記錄和分析。 要進行PCIE信號的測試,只有示波器是不夠的,為了方便地進行PCIE信號的分析,還需要有測試夾具和測試軟件。測試夾具的目的是把PCIE信號引出,提供一

4、個標準的測試接口以方便測試,測試夾具可以從PCI-SIG購買( Load Board和CBB(Compliance Base Board。CLB用于主板的測試,CBB用于PCIE接口卡的測試。下圖是夾具的圖示。 對于一些嵌入式的PCIE應用,由于沒有標準的PCIE插槽,所以可以使用焊接探頭的連接方式,即通過焊接探頭焊在接收端進行信號測試。另外,PCIE規(guī)定了很多PCIE信號的參數(shù),如果不借助相應的軟件,要完全手動進行這些參數(shù)的測量是一件非常煩瑣和耗時耗力的工作,為了便于用戶完成PCIE信號的測量,可以選擇PCI-SIG的SigTest軟件示波器廠家會提供的相應的測試軟件。下圖是Agilent

5、N5393B PCIE一致性測試軟件提供的測試項目。 只需要順序選擇好測試速率、測試項目并根據(jù)提示進行連接,然后運行測試軟件即可。下圖是軟件中提供的一個連接示意圖: 軟件運行后,示波器會自動設置時基、垂直增益、觸發(fā)等參數(shù)并進行測量,測量結果會匯總成一個html格式的測試報告,報告中列出了測試的項目、是否通過、spec的要求、實測值、margin等。如下圖所示: 同時,由于PCIE的抖動測試中要求分別測試TJ和DJ的大小,而信號中抖動的成因是很復雜的的,總的抖動成分TJ中包含了確定性抖動DJ和隨機抖動RJ,而DJ和RJ又分別是由很多因素構成。PCIE要準確測量TJ和DJ,需要借助于相應的抖動分析

6、軟件,因此PCIE信號的抖動測量還需要Agilent 的EzJIt Plus軟件幫助完成抖動的分解。下圖是抖動的分解圖以及EzJItPlus的一個測試例子。 為了控制EMI,PCIE中還定義了擴頻時鐘(SSC,在使用SSC的情況下, PCIE的數(shù)據(jù)速率可以在(-0.5%0的范圍內變化,調制頻率3033kHz,下表是對SSC的定義: 也就是說,對于PCIE II來說,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,可以方便地進行SSC 的調制頻率和調制深度的測量。在PCIE的抖動和模板的測試中,需要先從數(shù)據(jù)流中恢復出理想時鐘,以此為基準進行測

7、量,否則眼圖和抖動的測量都是沒有依據(jù)的。如下表中是PCIE的Receiver的時鐘鎖相環(huán)的帶寬要求。 要依據(jù)標準從數(shù)據(jù)流中恢復時鐘,就還需要借助Agilent的高速串行數(shù)據(jù)分析軟件E2688A。E2688A可以靈活設置PCIE時鐘恢復所需要的鎖相環(huán)形狀及帶寬,還可以提供PCIE信號的眼圖和模板測試功能并對PCIE的8b/10b 的數(shù)據(jù)流進行解碼,對于高速串行數(shù)據(jù)的調試是非常有用的一個工具,下圖是PCIE的眼圖測試和8b/10b解碼的結果。 對于模板測試失敗的波形,Agilent的DSA90000示波器還有一個非常獨特的功能:失效bit定位,即可以將模板測試的波形展開,看到造成模板測試的各個特定

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

9、基于包內容和錯誤條件的觸發(fā)3/ PCIE和其它總線關系的洞察能力4/ 通過訓練器和被測件的交互,主動驗證被測件的功能要完成上述功能的測試,需要用到相應的協(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)議測試儀,它也是PCI-SIG做PCIE Gen1/Gen2測試的推薦儀器。Agilent的E2960B是基于機箱式結構的協(xié)議分析儀,通過外部PC用以太網(wǎng)口控制,用戶可以根據(jù)需要選配不同測量模塊完成不同功能的測試。 1、數(shù)據(jù)包的捕獲和解包要進行正確的協(xié)議分析,第一步是可靠的信號探測。目前PCIE的信號速率達到5Gbps,同時位寬又可以達到x16雙向,如何進行這么多對高

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

11、頭的探測方式,通過把飛線探頭的前端焊接在被測信號上完成測試,這是最靈活的一種探測方式。Agilent是唯一能夠同時提供這3種PCIE探測方式的公司。信號送入?yún)f(xié)議分析儀模塊后,協(xié)議分析儀內部的硬件模塊就可以根據(jù)PCIE 的協(xié)議對捕獲到的數(shù)據(jù)包進行解碼,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)可以支持非常長時間的數(shù)據(jù)捕獲,同時具有業(yè)內最快的鎖定時間,其典型鎖定時間是11個training序列,可以很快捕獲到速率切換等事件。用戶不僅可以看到包里各個部分的內容,也可以看到payload和各條lane上的數(shù)據(jù),以下是一個包分析的窗口舉例。 根據(jù)需要,用戶還可以

12、自己定義filter濾除不關心的數(shù)據(jù)包,并對總線的流量做統(tǒng)計。2、基于包內容和錯誤條件的觸發(fā)要進行協(xié)議分析和故障定位,僅僅有解碼功能是不夠的,很多時候我們要關注如何觸發(fā)到我們關心的事件或錯誤發(fā)生的時刻。E2960B強大的硬件電路提供了業(yè)內最豐富的觸發(fā)條件,用戶可以根據(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)議錯誤進行觸發(fā)。以下是E2960B支持的觸發(fā)條件。 3、PCIE和其它總線關系的洞察能力很多時候用戶的PCIE并不是一個孤立的系統(tǒng),PCIE可能是和PCI、Memory 等總線協(xié)同工作的,單單捕獲PCIE的數(shù)據(jù)不足以分析整個系統(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,用戶只需要用一臺PC就可以通過以太網(wǎng)口同時控制PCIE協(xié)議分析儀和邏輯分析儀,并同時捕獲不同總線的數(shù)據(jù)進行相關分析。 4、通過訓練器和被測件的交互協(xié)議分析儀只能進行數(shù)據(jù)捕獲,有些時候系統(tǒng)的功能驗證光靠捕獲數(shù)據(jù)是不夠的,還需要能主動和被測系統(tǒng)進行交互以驗證系統(tǒng)的功能是否正常,這時候就要用到PCIE的訓練器。訓練器可以任意編輯PCIE的數(shù)據(jù)包和被測系統(tǒng)交互,也可以故意產生一些錯誤數(shù)據(jù)包驗證系統(tǒng)的容錯能力。下面是N5309A PCIE Gen1/Gen2訓練器和測試背板,它可以直接插在主板上進行主板的測試,也可以通過背板進行PCIE插卡的測試。 N5309A除了可以實現(xiàn)訓練器功能外,還可以進行LTSSM的測試,另外還有一個很重要的功能就是可以作為協(xié)議的一致性測試卡(PTC功能,PTC根據(jù)PCI-SIG 的要求定義了很多測試案例,通過運行這些測試案例并把測試結果生成報告,PTC