PCIe Gen3/Gen4接收端链路均衡测试（下篇：实践篇）
作者：泰克科技应用工程师 李煜
聚焦于pcie 3.0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“link equalization”（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。
另外，泰克pci express专家david bouse将在4月10日（周五）13:00-16:00直播课堂【pciexpress 5.0规范更新解读和测试揭秘】讲解如何解决pcie 5.0的新测试挑战https://info.tek.com/cn-pcie-mofu.html。
接收端链路均衡测试（rx leq）
在pcie 2.0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pcie 3.0/4.0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pcie 3.0/4.0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pcie 3.0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pcie 5.0的接收端测试的要求。图1是使用bsx系列的误码仪进行pcie 3.0d的接收端测试的示意图。
图1 pcie 3.0的接收端测试的示意图
在pcie 3.0 & 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pcie 3.0 & 4.0 rx leq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。
ÿ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； ÿ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； ÿ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pcie rx自动化测试软件（bsxpci4cem），如图2所示。通过泰克公司的pcie rx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。
图2 泰克pcie rx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pcie 3.0还是pcie 4.0，校准过程都分为两个阶段：
ÿtp1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tx eq。 ÿtp2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pcie 3.0，还是pcie 4.0，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。
图3 pcie 3.0 & 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pcie 3.0和pcie 4.0中，tp2校准的策略有所不同。在pcie 3.0中，是通过调整dmsi和rj来达到最终的眼高/眼宽。而在pcie 4.0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。
pcie 3.0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。
（a） （b）
图4 pcie 3.0 tp2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pcie 3.0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pcie 4.0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。
pcie 4.0的tp2校准的拓扑连接如图5所示。与pcie 3.0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（root complex）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。
（a） （b）
图5 pcie 4.0 tp2校准拓扑连接：（a） 插卡的校准 （b） 系统板的校准
如前所述，在pcie 4.0的校准过程中，需要参考信道的isi值，这就涉及到一个isi pair的迭代过程，整个迭代过程的起点是-28 db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-27 db ~ 30db。泰克公司的pcie rx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-aware instrument）。
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pcie 3.0 & 4.0 & 5.0、usb 3.1 & 3.2等。另外，用户还可以通过自带的pattern sequencer功能完成各种自主开发的标准的测试。
图6 泰克公司的协议感知型误码仪：bsx系列
对于pcie 3.0 & 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：
（a） （b）
图 7 pcie 3.0&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modifiedcompliance pattern，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rx leq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（root cause）。
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pcie rx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rx leq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rx leq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“empty a – modified compliance b.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；rx leq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tx eq值。此时，用户可以使用泰克公司提供的“ber test”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。
图9 对tx eq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。
图 10 正弦抖动的裕度测试：（a） 设定界面 （b） 扫描测试界面
图 11 差模噪声的裕度测试：（a） 设定界面 （b） 扫描测试界面
泰克公司提供了业界领先的关于pcie 3.0 & 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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另外，泰克pci express专家david bouse将在4月10日（周五）13:00-16:00直播课堂【pciexpress 5.0规范更新解读和测试揭秘】讲解如何解决pcie 5.0的新测试挑战https://info.tek.com/cn-pcie-mofu.html。
接收端链路均衡测试（rx leq）
在pcie 2.0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pcie 3.0/4.0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pcie 3.0/4.0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pcie 3.0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pcie 5.0的接收端测试的要求。图1是使用bsx系列的误码仪进行pcie 3.0d的接收端测试的示意图。
图1 pcie 3.0的接收端测试的示意图
在pcie 3.0 & 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pcie 3.0 & 4.0 rx leq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。
ÿ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； ÿ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； ÿ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pcie rx自动化测试软件（bsxpci4cem），如图2所示。通过泰克公司的pcie rx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。
图2 泰克pcie rx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pcie 3.0还是pcie 4.0，校准过程都分为两个阶段：
ÿtp1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tx eq。 ÿtp2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pcie 3.0，还是pcie 4.0，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。
图3 pcie 3.0 & 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pcie 3.0和pcie 4.0中，tp2校准的策略有所不同。在pcie 3.0中，是通过调整dmsi和rj来达到最终的眼高/眼宽。而在pcie 4.0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。
pcie 3.0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。
（a） （b）
图4 pcie 3.0 tp2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pcie 3.0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pcie 4.0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。
pcie 4.0的tp2校准的拓扑连接如图5所示。与pcie 3.0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（root complex）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。
（a） （b）
图5 pcie 4.0 tp2校准拓扑连接：（a） 插卡的校准 （b） 系统板的校准
如前所述，在pcie 4.0的校准过程中，需要参考信道的isi值，这就涉及到一个isi pair的迭代过程，整个迭代过程的起点是-28 db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-27 db ~ 30db。泰克公司的pcie rx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-aware instrument）。
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pcie 3.0 & 4.0 & 5.0、usb 3.1 & 3.2等。另外，用户还可以通过自带的pattern sequencer功能完成各种自主开发的标准的测试。
图6 泰克公司的协议感知型误码仪：bsx系列
对于pcie 3.0 & 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：
（a） （b）
图 7 pcie 3.0&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modifiedcompliance pattern，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rx leq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（root cause）。
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pcie rx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rx leq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rx leq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“empty a – modified compliance b.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；rx leq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tx eq值。此时，用户可以使用泰克公司提供的“ber test”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。
图9 对tx eq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。
图 10 正弦抖动的裕度测试：（a） 设定界面 （b） 扫描测试界面
图 11 差模噪声的裕度测试：（a） 设定界面 （b） 扫描测试界面
泰克公司提供了业界领先的关于pcie 3.0 & 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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