VitalyMorarenko

Тестирование приемников PCI Express различных поколений. Как учесть все нюансы?

Blog Post created by VitalyMorarenko Employee on Sep 29, 2016

С появлением новых редакций спецификаций и ростом скорости передачи данных совершенствуются и спецификации приёмников шины PCI Express®. Например, параметры приёмника нормируются при скоростях обмена 2,5 ГТ/с (Гигатранзакций/с) и 5 ГТ/с в опорной точке за пределами чипсета PCI Express, содержащего этот приемник, или при скоростях обмена 8 ГТ/с и 16 ГТ/с в опорной точке внутри чипсета. Требования к тестированию приёмников с помощью искажённых испытательных сигналов разрабатываются более детально и с большим уровнем сложности. Три основных уровня спецификаций PCI Express, разные категории тестируемых устройств и разные режимы работы являются источниками различий в схемах измерения и методиках тестирования. Учесть все эти нюансы и правильно настроить стенд для тестирования приёмников может оказаться весьма непростой задачей.

 

На основе статьи Торстена Гёцельманна, инженера компании Keysight Technologies (Thorsten Götzelmann ThorstenG)

Из Википедии:

PCI Express, или PCIe, или PCI-E (также известная как 3GIO for 3rd Generation I/O) — компьютерная шина (хотя на физическом уровне шиной не является, будучи соединением типа «точка-точка»), использующая программную модель шины PCI и высокопроизводительный физический протокол, основанный на последовательной передаче данных.

 

Разработка стандарта PCI Express была начата фирмой Intel после отказа от шины InfiniBand. Официально первая базовая спецификация PCI Express появилась в июле 2002 года. Развитием стандарта PCI Express занимается организация PCI Special Interest Group.

Спецификации PCI Express

Базовые спецификации

Базовые спецификации PCI Express составляют основу всех версий стандарта PCI Express. С точки зрения физического уровня они описывают характеристики передатчика, канала и приёмника, а также возможные схемы тактирования и логические субблоки. Каждый производитель изделий с PCI Express использует модель, привязанную к базовым спецификациям. Базовые спецификации в большей части относятся к испытаниям чипсета. Они описывают как синхронный, так и асинхронный режим работы. Существуют три основные схемы тактирования: общая тактовая частота (CC), которая является синхронной, частота тактирования данных (DC), которая может быть синхронной или асинхронной, и независимая тактовая частота (IR), которая является асинхронной. Изначально асинхронная работа допускалась только в случае, если не используется тактирование с распределённым спектром (SSC). Асинхронный режим работы в присутствии SSC была представлена в начале 2013 г. Для описания такого режима без SSC используется термин «отдельное тактирование без SSC» (SRNS), а для описания режима с SSC используется термин «отдельное тактирование с независимым SSC» (SRIS). Для синхронного и асинхронного режимов работы определены разные требования к тестированию для скоростей 8 ГТ/с и 16 ГТ/с.


Спецификации CEM

Самой распространённой моделью применения PCI Express является, вероятно, слот расширения PCI Express, определённый в электромеханических характеристиках платы PCI Express (CEM). В процессе тестирования приёмников надо учитывать два разных типа устройств: платы расширения и материнские (системные) платы. CEM использует только синхронный режим работы и является единственной экосистемой PCI Express, предлагающей обязательную программу сертификации соответствия стандарту, включая тесты физического уровня. Все устройства, входящие в перечень интеграторов PCI-SIG, должны проходить проверку соответствия в одной из испытательных лабораторий PCI-SIG. Необходимые тесты соответствия физического уровня определены в спецификации тестирования архитектуры физического уровня PCI Express (CTS). Тесты CTS разработаны так, чтобы их можно было выполнять в лабораторных условиях.
В результате тестирование приёмников согласно CTS может оказаться не столь строгим и менее сложным, чем тестирование согласно базовым спецификациям.

 

Спецификации тестирования физического уровня (M-PHY)

M-PCIe заменяет физический уровень PCI Express физическим уровнем, определённым для M-PHY. Следовательно, тесты приёмника должны выполняться в соответствии со спецификацией M-PHY, а не спецификацией PCI Express. M-PHY – это физический уровень, определённый Альянсом MIPI®.

 

Требования к тестированию приёмников PCI Express

Требования к тестированию и методы калибровки не одинаковы для разных скоростей передачи данных. В спецификации PCIe 3.0 опорная точка переносится внутрь чипа, и структура искажённого испытательного сигнала становится сложнее. Кроме того, используемая для тестирования приёмников методология, описывающая межсимвольные помехи в канале, отличается для скоростей 2,5/5 ГТ/с и 8/16 ГТ/с.

 

Также требования к тестированию определяют обратную совместимость. То есть, устройство, способное работать на более высоких скоростях, должно быть совместимым и с меньшими скоростями передачи данных.


PCI Express 2,5 ГТ/с

Спецификации приёмника определены на выводах приёмника. Спецификации идентичны для разных схем тактирования и для синхронного и асинхронного режимов работы. Определена только простая маска приёмника. Поскольку спецификации случайного джиттера (RJ) отсутствуют, обычно используются значения RJ, определённые для скорости 5 ГТ/с. Тестирование по базовым спецификациям не требует внесения предыскажений, а вот тестирование в соответствии с CEM – требует.

 

Факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи (ISI) через внешний канал. Межсимвольные помехи должны быть основным компонентом детерминированного джиттера (DJ). Для тестов CEM нужна базовая плата для проверки соответствия PCI-SIG (CBB) и плата нагрузки для проверки соответствия (CLB). Плату CBB для gen1 и gen2 следует сконфигурировать так, чтобы её можно было использовать для тестирования приёмников
  • Случайный джиттер (RJ)
  • Для обеспечения необходимого закрытия глаза межсимвольные помехи дополняются синусоидальным джиттером (SJ)
  • Синфазная синусоидальная помеха (CM-SI), только для базовых спецификаций

 

PCI Express 5 ГТ/с

Спецификации приёмника также определены на выводах приёмника. Базовые спецификации определяют разные параметры для приёмников, использующих CC или DC. Спецификации CEM не применяют CM-SI, но добавляют второй высокочастотный тон джиттера. Для сценариев применения CC определён остаточный SSC (rSSC); rSSC представляет собой треугольную фазовую модуляцию, применяемую только к искажённому испытательному сигналу, но не к опорной тактовой частоте. Он определяет собой наихудшие условия, в которых может оказаться приёмник между SSC опорной тактовой частоты и SSC входного сигнала данных.

 

Факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи через внешний канал. Межсимвольные помехи должны быть основным компонентом регулярного джиттера. Для тестов CEM нужна базовая плата для проверки соответствия PCI-SIG (CBB) и плата нагрузки для проверки соответствия (CLB). Плату CBB для gen1 и gen2 следует изменить так, чтобы её можно было использовать для тестирования приёмников.
  • Отфильтрованный по спектру случайный джиттер (sRJ) с большей амплитудой для частотного спектра до 1,5 МГц и меньшей амплитудой для частотного спектра от 1,5 до 100 МГц
  • Для обеспечения необходимого закрытия глаза межсимвольные помехи дополняются синусоидальным джиттером (SJ)
  • SSC:
    • rSSC используется для реализаций на основе CC, кроме тестирования систем на основе CEM, поскольку SSC определяется тактовой частотой системы
    • SSC используется для реализаций на основе DC
  • CM-SI, только для базовых спецификаций
  • Вторичный высокочастотный тон SJ только для спецификаций CEM

 

PCI Express 8 ГТ/с


Рис. 1. Опорная точка TP2-P, определённая в спецификациях приёмника PCIe 8 ГТ/с

 

Повышенная скорость передачи практически по тому же каналу делает необходимой коррекцию приёмника, поэтому тестирование приёмника приобретает большую важность. Спецификации приёмника описываются более подробно и определяются внутри приёмника после корректоров (CTLE и DFE). Эта опорная точка называется TP2-P. Вследствие сдвига определения опорной точки, для калибровки искажённого испытательного сигнала приходится применять встраивание поведенческого пакета приёмника, а также имитацию корректирующих цепей и восстановление тактовой частоты.


Рис. 2. Пример схемы для тестирования приёмника плат расширения PCIe 8 ГТ/с

 

 

Факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи через внешний канал. Для тестов CEM нужна базовая плата для проверки соответствия PCI-SIG (CBB), переходник и плата нагрузки для проверки соответствия (CLB) для gen3 для длинного канала и CBB gen2 для короткого канала
  • Случайный джиттер с фильтром верхних частот 10 МГц
  • Синусоидальный джиттер, разные маски допуска джиттера для CC и SRNS/SRIS
  • SSC, только для SRIS:
    • Треугольное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным напряжением
    • Синусоидальное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным джиттером
  • DM-SI
  • CM-SI, только для базовых спецификаций

 

После улучшения физических возможностей приёмников PCIe, в процедуру обучения канала была добавлена оптимизация коррекции передатчика, которая учитывает характеристики текущего канала, передатчика и приёмника.

 

PCI Express 16 ГТ/с

PCI Express 4-го поколения будет поддерживать скорость 16 ГТ/с. Спецификации 4.0 ещё не выпущены, и в настоящее время работа над ними продолжается. Тем не менее рабочие группы PCI-SIG, работающие над версией 4.0 и спецификациями приёмника 16 ГТ/с, скорее всего, будут следовать методам калибровки приёмников 8 ГТ/с с улучшениями, направленными на повышение совместимости между разными схемами испытаний. Настройка ширины и высоты глазка по случайному джиттеру и DM-SI в процессе калибровки приёмника PCIe 8 ГТ/с в сочетании с допуском на полосу канала ±2 дБ, видимо, будет проблематичной. Схемы с меньшими потерями могут потребовать значительно большего случайного джиттера для закрытия глаза до заданных значений по сравнению со схемами с высокими потерями. Но большинство приёмников лучше справляется с межсимвольными помехами, вызванными потерями в канале, чем со случайным джиттером, и в результате две схемы измерения могут создать несовместимые условия испытаний. Для исправления этой ситуации стандарт ужесточает допуски для испытательных каналов, требуя некоторого рода настройки межсимвольных помех, например, путём выбора канальных плат с разным значением межсимвольных помех.

 

Предварительные факторы, определяющие наихудшие условия:

  • Межсимвольные помехи через настраиваемый или выбираемый внешний канал. Тестирование CEM, вероятно, потребует применения тестовой оснастки, разрабатываемой и поставляемой PCI-SIG
  • Случайный джиттер с фильтром верхних частот 10 МГц
  • Синусоидальный джиттер, разные маски допуска джиттера для CC и SRNS/SRIS
  • SSC, только для SRIS:
    • Треугольное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным напряжением
    • Синусоидальное распределение в нижнюю сторону на 33 кГц для тестирования с предельным джиттером
  • DM-SI
  • CM-SI, только для базовых спецификаций

 

Тестирование коррекции канала

Для тестирования новой процедуры коррекции канала, представленной в PCIe 3.0, следует создать новую категорию тестов. Эта новая категория тестов коррекции канала требует наличия в контрольно-измерительном оборудовании функций канального уровня, поскольку в этих тестах должны проверяться соответствующие каскады машины состояний обучения канала (LTSSM), которые в этом случае пропускать уже нельзя. Вместо использования интеллектуальной последовательности, которая выглядит как установка соединения с разными шагами обучения, нужно дополнить тестеры коэффициента битовых ошибок (BERT) функциями LTSSM. Классические BERT, в которых генераторы последовательностей, частотные корректоры и детекторы/анализаторы ошибок являются совершенно отдельными блоками или даже отдельными приборами, будут обладать недостаточным временем отклика, и могут вообще не справиться с этой задачей. Поэтому тестеры новых поколений объединяют все три функции в одном приборе.

 

Тесты коррекции канала могут отличаться для приёмников и передатчиков. Тесты приёмников мало отличаются от классических тестов приёмников за исключением того, что приёмник тестируемого устройства «договаривается» с передатчиком BERT о частотной коррекции и настройке предварительного подъёма характеристики, используемых для тестирования данного приёмника. Калибровка искажённого испытательного сигнала идентична классическому тесту приёмников 8 ГТ/с.

 

Тестирование коррекции канала передатчика фокусируется на двух факторах:

  • Фактическая форма сигнала, основанная на запросах партнёра по каналу. Это включает изменения фактической формы сигнала, а также гарантирует, что сигнал отвечает требованиям целевых спецификаций
  • Время реакции на запросы изменения со стороны партнёра по каналу. Оно складывается из времени логического ответа и времени физического ответа. Временем логического ответа называется время между запросом на изменение и отправкой подтверждения партнёру, тогда как временем физического ответа называется время от запроса на изменение до реального изменения формы сигнала.

 

Заключение

С каждой новой редакцией стандарт PCI Express расширяет пределы возможностей передачи данных по каналам, реализованным на платах из стеклотекстолита FR4, и поэтому приёмники постоянно усложняются. В результате приходится применять контрольно-измерительное оборудование с большим набором возможностей и более сложные схемы тестирования. Производители контрольно-измерительного оборудования вынуждены реагировать на эти новые требования. Хорошим примером является развитие систем BERT компании Keysight Technologies. Например, система J-BERT M8020A BERT наглядно демонстрирует интеграцию классических компонентов BERT в одном приборе, что позволяет получить новые возможности, такие как LTSSM, нацеленные на преодоление новых сложностей тестирования.

 


PCIe и PCI Express являются зарегистрированными товарными знаками PCI-SIG®.
MIPI является зарегистрированным в США и других странах товарным знаком MIPI, Inc.

Outcomes