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(多图) PCI Express物理层测试简介

张昌骏?? 美国力科公司深圳代表处?? 2008年11月02日 ?? 收藏0

  自2004年Intel的Grantsdale芯片组首次引入PCI Express(简称PCIe)以来,PCIe在计算机和通讯产品上得到了广泛的应用。PCIe首先被用到MCH(Memory Controller Hub)和显卡的接口,取代旧的AGP总线;MCH和ICH(I/O Controller Hub)的连接也使用了PCIe总线。此外,很多要求高速数据传输的插卡,如数据采集卡、千兆网卡等也采用了PCIe总线,替代了原来的PCI总线。PCIe总线的主板架构如图1所示。

图1PCIe总线的主板架构


    
  第一代的PCIe速率为2.5Gbps,一对发送的差分信号和一对接收的差分信号组成一路信道,可以实现大约250MByte/s的数据传输率。PCIe的显卡使用了16路信道(又称为PCIe x 16),可以实现250M * 16 = 4GByte/s的数据传输率,能满足看高清电影或者玩3D游戏时大量图像数据在显卡与MCH间收发的要求。而一些数据速率要求不高的外设,比如千兆以太网卡,通常采用一路PCIe的接口(PCIe x 1)。第二代的PCIe的速率高达5Gbps,是PCIe一代的2倍,2007年后新的计算机主板芯片组和显卡都已升级到了PCIe二代。

  ?并行信号VS串行信号

  ?5年前,电路板上多数信号都是并行信号,如PCI、ISA、AGP、MII、GMII等。并行信号中通常包括一路时钟和多路数据信号。为了满足建立保持时间的时序要求,通常要求时钟和数据信号的走线等长,这样就增加了印刷电路板(PCB)的设计难度以及面积,而且,多路并行信号在传输中,信号间的串扰导致信号质量恶化,同步或奇偶模式开关时会减小建立保持时间的余量。多种原因导致并行信号无法适应高速数据的传输。

  PCIe信号是串行的差分信号,相比并行信号,串行信号的数据内嵌时钟,在接收端可以使用时钟恢复电路从串行数据信号中恢复时钟,然后再用时钟同步数据。由于不存在时钟和数据同步的时序问题,串行信号的速率通常都在GHz以上,一对高速差分信号 的传输速率可以快于多路低速的并行信号。并且差分信号在传输的时候,抗干扰能力更强,对其他信号的串扰也小于单端信号。综合这些因素,串行的差分信号在计算机、通讯、消费电子类产品上越来越普及,传输速率也会越来越高。

  ?PCIe的物理层测试

  对于串行差分信号的物理层测试,通常需要测试眼图、抖动、比特率、上升下降时间等。PCIe的官方组织PCISIG(http://www.pcisig.org)对PCIe的物理层测试做了详细的规定。图2是PCIe1.0a中规定的发送端TX和接收端RX的眼高和眼宽的要求,以及TX与RX间互连(interconnect)的插入损耗和抖动要求。

图2PCIe系统框图

  对于PCIe一代信号的测试,通常需要6GHz以上带宽的示波器,对于PCIe二代的测试,通常需要12.5GHz以上带宽的示波器。
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  ?PCIe的测试夹具

  对于拥有PCIe接口的计算机主板或者外插卡,PCISIG分别提供了两种测试夹具用于兼容性测试。用于计算机主板的测试夹具叫做CLB(Compliance Load Board),用于外插卡的测试夹具被称为CBB(Compliance Base Board),CLB和CBB均有分别用于PCIe一代和二代的测试夹具。图3左图所示为PCIe一代的CLB,该CLB有PCIe的x1, x4, x8, x16四种金手指接口。使用时可将CLB插到待测试主板的PCIe插槽上,用两根SMA接头的同轴电缆连接到示波器的两个通道(图3右图所示),示波器的两个通道设为50Ω输入阻抗,通常上电后就可以发出串行数据包,用于物理层信号的眼图和抖动测试。

图3CLB测试夹具与连接

图4CBB测试夹具与连接

  图4为PCIe二代的CBB夹具。CBB板上提供了电源和时钟,待测试的显卡插到CBB后,显卡芯片PCIe的TX端会发送数据包到CBB,通过两根同轴电缆传送到示波器,示波器采集波形进行后续的分析和测量。

  ?PCIe信号分析软件sigtest

  ?在示波器捕获到PCIe信号后,PCISIG提供了sigtest软件,对捕获的信号进行眼图和抖动分析。sigtest软件从诞生到现在,已更新了多次,目前最新版本为V3.1.9。该版本支持三家主流示波器厂商的波形文件格式,除了能分析PCIe一代和二代的信号外,还可以对计算机平台上的另外两种串行信号SATA和FBDIMM信号进行分析。图5为sigtest的软件界面,调入波形文件后,选择待分析信号的类型和模板,点击“Test”,一段时间后就可以得到眼图、抖动、比特率、UI(Unit interval)等测试结果,最后还可以生成HTML格式的测试报告。在测试中示波器仅仅是用于捕获波形的工具,测量结果是经sigtest软件计算出来的,这样就避免产生因示波器厂商的眼图和抖动分析算法的差异性导致测试结果不一致或者不具备可比性的问题。Sigtest软件也存在一些缺点,首先,大数据量时计算速度缓慢,不适合做调试和分析;眼图的数据量比较少;只有主板(system board)和外插卡(add-in card)的模板,如果测试板上芯片间有互连的PCIe信号时,没有TX、RX对应的模板和参数指标。


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PCI? 并行信号?

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