PCIE4.0协议分析仪物理层测试解读之发送端测试-云帆兴烨
背景介绍
目前应用最广泛的PCIE总线已经演进到了第4代，传输速率大幅提升到了16Gb/s，测试的要求也有了很大的变化。目前PCIE4.0协议分析仪相关的规范正在完善中，2017年10月，PCIE4.0Base Spec Rev1.0已经正式发布，在PCI-SIG组织的Workshop上已经进行了两次PCIE4.0 Preliminary Workshop，接下来在2018年4月27日举行的PCI-SIGWorkshop#105会进行首次PCIE4.0FYI Workshop，这标志这PCIE4.0协议分析仪的CEM规范和测试规范将很快确定下来，预定2018年年底，测试规范和测试方法就会完全确定，
在继续向下之前，有必要澄清一下PCIE规范和PCIE Workshop的一些术语。
每一代的PCIE规范都包括以下三种：
· Base规范，定义芯片级的PCIE设备的行为特征
· CEM规范，定义板卡级的PCIE设备的行为特征
· Test 规范， 定义依据CEM规范的PCIE设备的具体测试方法
PCIE Workshop上进行的电气测试，一般分为三种，
· Preliminary workshop，测试设备厂商会根据内部测试流程，测试一些厂商的产品，测试结果不会给厂商，主要目的是测试规范的开发
· FYI Workshop，在FYI workshop上，厂商可以拿到测试结果，但是这个结果还不能作为最终的一致性测试的结果
· Compliance Workshop，这是正式的PCIE一致性测试，如果通过测试，产品就可以加入到PCI-SIG的Integratorlist，是符合PCIE会操作性测试的产品
目前PCIE4.0的CEM规范和测试规范还在制定当中，现在一些业内领先的厂商，都已经在开发相应的PCIE4.0的产品，力科也推出了自己的PCIE4.0测试方案，来协助客户产品的研发。本篇文章，我们就来解读一下PCIE4.0测试的新的要求和新的方法。
PCIE4.0协议分析仪新的测试要求
根据目前的测试规范， PCIE4.0物理层测试主要分为4个部分
1. Transmitter test
2. Transmitter Link Equalization test
3. Receiver Link Equalization test
4. PLL test
PCIE4.0协议分析仪物理层测试首要设备是高带宽实时示波器，具体的带宽要求是CEM规范规定的，PCIE3.0要求的最低带宽是：13GHz，对于PCIE4.0，要求的示波器带宽为：25GHz，对于接收端测试需要的设备是一台高性能的误码仪，速率能否覆盖PCIE4.0的速率，并且能够提供PCIE4.0测试所需要的码型和噪声。
力科的LabMaster10Zi-A高性能示波器，具有4通道25GHz带宽，80GS/s的采样率，而且可以非常容易的升级到36GHz和65GHz，以满足即将到来的PCIE5.0的测试要求。
Anritsu的MP1900A误码仪支持2.4Gb/s到32.1Gb/s的速率范围，最多支持16个通道，支持PCIE4.0测试需要抖动注入、噪声生成、码型生成和误码检测，同时支持链路训练和链路状态机分析，一台机器即可完成所有功能。和力科的示波器配合，组成完整的PCIE4.0测试系统，支持PCIE4.0规范要求的所有测试项目。
PCIE4.0测试另一个关键部分是自动测试软件，这里主要涉及的是测试效率，PCIE4.0协议分析仪接收端校准的设置非常繁琐复杂，手动设置费时费力，必须通过自动化软件来做。力科的QualiPHYPCIE4-TX-RX可以控制示波器和BERT完整所有的校准和测试，支持Transmittertest、TransmitterLink Equalization test、ReceiverLink Equalization test和PLLtest，提供图形化的引导界面，自动设置仪器和测试，生成一致性的报告。
PCIE 4.0测试需要的另一个部分就是测试夹具，从PCIE1.0开始，PCI-SIG就有标准的夹具提供，同样的，PCIE4.0的夹具也可以从PCI-SIG购买，PCIE4.0夹具是全新的夹具，不能用原来的PCIE3.0夹具替代，这里要提到的一点是，PCIE4.0的CBB夹具提供了方便的控制接口，可以外部控制它来完成开关机、复位、码型和速率切换的动作，可以大大的提高测试效率，原来测试过PCIE3.0的工程师，应该深有体会，手动完成这个有多繁琐，力科TF-PCIe4-CTRL就是可以协助完成这个功能的转换器。
PCIE4.0 完整测试方案
PCIE 4.0 Transmitter测试
Transmitter测试使用的仪器主要是高带宽示波器，相比PCIE3.0，PCIE4.0 Transmitter测试主要的变化有如下三点：
1. 需要的示波器带宽更高，需要25GHz带宽的示波器
2. 增加了transmitterpulse-width jitter测试
3. 需要ISI夹具板来模拟测试通道衰减
在目前的测试规范中，Transmitter pulse-widthjitter还没有清楚地定义， 等规范完成后，我们会在后面文章中做介绍，现在主要介绍介绍TransmitterSignal Quality 测试和Preset测试。
在介绍测试之前，先介绍一下PCIE4.0的通道， PCIE4.0的通道从主板上的Root complex开始，它是主板上的一个TXRX模块，通道在主板上延伸到CEM连接器处，从连接器处开始，通道继续通过插入到连接器上的附加卡上延伸， 一直到附加卡上的End Point，它是附加卡上的一个TXRX模块。在主板端， 系统能够允许的最大损耗是20dB,这其中包括了5 dB的Root Complex的封装损耗，在附加卡端，可允许的最大损耗是8 dB，其中包括3 dB的Endpoint的封装损耗。所以，原则上，PCIE4.0通道在8GHz时的的总损耗应该小于28 dB, 才能保证信号完整性的要求。
PCIE 4.0通道
对于PCIE 4.0信号测试来说，要求是要测试到远端点，模拟最差的状况，以和实际的应用相一致。以测试附加卡为例，信号离开附件卡之后，还要遭受从CEM连接器到Root complex的额外的20 dB的衰减， Root Complex所在的位置就是我们评估附件卡信号质量的位置。
附加卡测试
我们需要用其他的方法来模拟这额外的20 dB损耗，这就需要用到PCI-SIG提供的ISI夹具板和示波器的模拟仿真功能。还是以附件卡测试为例，完整的连接图如下，15 dB是通过ISI夹具板来模拟实现，5 dB是示波器使用S参数模型来仿真的。
附加卡测试连接
PCIE 4.0 附件卡的信号质量测试连接图如下，信号质量测试采用长通道，使用ISI夹具板和S参数模型来模拟通道的损耗，对于Preset测试，则只需要将Lane0直接连接到示波器即可。
附件卡测试
Transmitter的信号质量测量和Preset测量都可以使用PCI-SIG的Sigtest软件来测试，针对PCIE4.0的Sigtest软件还没有正式发布，目前仅仅只是测试厂商内部评估使用。
对于Preset测试，需要针对每一个Preset，采集1.6MUI的数据，然后使用Sigtest分析，判断De-emphasis和Preshoot是否在规定的范围内，中间需要多次的切换，力科的TF-PCIe4-CTRL和QualiPHYPCIE4-TXRX软件配合，快速自动的完成Preset的切换和测试。
示波器及其测试自动化软件（TeledyneLeCroy LabMaster 10Zi-A和QualiPHYPCIe4-Tx-Rx）自动运行由PCI-SIG提供的SigTest软件，SigTest将对采集到的波形执行Preset和信号质量测试，SigTest的运行速度并不快，所以信号质量测试非常耗时。LabMaster 10Zi-A通过其带有20核CPU的服务器级主板缓解了这一问题，它可以并行运行多个SigTest软件实例，从而将测试时间从三小时缩短到不超过20分钟。
对信号质量测试来说，需要至少一种Preset设置通过测试，从我们参加过的Workshop来看，P5或者P6是PCIE4.0的GoldenPreset，相对应的，P7或者P8是PCIE3.0的GoldenPreset.