Тестирование PCI Express
Что проверяем
Когда требуется тестирование PCI Express
- Снижается скорость или ширина соединения
- Интерфейс устанавливает соединение на более низкой скорости или использует меньшее количество линий, чем предусмотрено проектом
- Соединение работает в простых режимах, но становится нестабильным при высокой интенсивности обмена данными
- Необходимо проверить печатную плату, разъем, кабель, riser, backplane, retimer или redriver и оценить запас канала
- Устройство работает только с отдельными платформами либо необходимо сравнить несколько вариантов компонентов и multi-vendor конфигураций
- Необходимо проверить передатчик, канал и приемник, определить запас по параметрам и подготовить изделие к pre-compliance или compliance-испытаниям
- Для локализации причины требуется последовательно исследовать передатчик, канал, приемник, процесс установления соединения и протокольный обмен
Поколения PCIe
Физический тракт
Тестирование передатчика PCIe
Проверяется электрический сигнал, формируемый устройством в заданном режиме и на требуемой скорости передачи.
Возможные измерения:
- Форма сигнала и глазковая диаграмма;
- Амплитудные и временные параметры;
- Джиттер и его составляющие;
- Качество дифференциального сигнала;
- Параметры передатчика для разных presets;
- Работа de-emphasis и equalization;
- Стабильность опорной частоты и SSC;
- Межлинейный перекос в многолинейных соединениях;
- Соответствие параметров передатчика установленным пределам;
- Формирование отчета по результатам испытаний.
Для PCIe Gen1Gen5 анализируются NRZсигналы. PCIe Gen6 использует PAM4, поэтому требует соответствующей полосы измерительного тракта и специализированных методов анализа многоуровневого сигнала.
Типовые сценарии
Отладка электрического передатчика
Предназначена для первичной проверки PCIe PHY и поиска причин несоответствия электрических параметров.
Возможный состав:
- Осциллограф реального времени;
- Дифференциальные пробники или кабельное подключение;
- PCIe compliance-оснастка;
- Программное обеспечение для автоматизированных измерений;
- Средства формирования отчета.
Характеризация канала PCIe
Исследуется физический тракт между передатчиком и приемником: проводники печатной платы, разъемы, переходные отверстия, кабели, riser, backplane, socket и тестовая оснастка. Основные измерения:
- дифференциальные и однотактные Sпараметры;
- вносимые и обратные потери;
- согласование и волновое сопротивление;
- преобразование дифференциального сигнала в синфазный;
- NEXT и FEXT;
- задержка распространения и межлинейный skew;
- локализация неоднородностей методом TDR;
- оценка запаса канала относительно требований PCIe;
- удаление влияния кабелей, адаптеров и тестовой оснастки;
- сравнение нескольких вариантов топологии или компонентов.
Типовые сценарии
Анализ печатной платы и канала PCIe
Используется при разработке платы, выборе разъемов, переходных отверстий, retimer или кабельного соединения. Возможный состав:
- двух- или четырехпортовый векторный анализатор цепей;
- TDR/TDT;
- калибровочные комплекты;
- тестовые купоны и измерительная оснастка;
- программное обеспечение для mixed-mode Sпараметров и de-embedding.
Тестирование приемника PCIe
Проверяется способность приемника устойчиво восстанавливать данные при наличии потерь, джиттера, шума и других искажений, характерных для реального канала.
Возможные задачи:
- Формирование тестового сигнала PCIe;
- Внесение контролируемых искажений;
- Эмуляция канала с заданными потерями;
- Измерение коэффициента битовых ошибок;
- Определение запаса приемника;
- Проверка устойчивости к джиттеру;
- Исследование работы эквалайзера;
- Проверка процесса согласования параметров линии;
- Анализ receiver margining — для поддерживающих эту функцию устройств;
- Определение граничных условий устойчивой работы;
- Проверка приемника с различными кабелями, платами и вариантами канала.
В зависимости от DUT тестирование проводится в специальном тестовом режиме, режиме loopback либо с применением генератора трафика или protocol exerciser.
Типовые сценарии
Стресс-тестирование приемника
Позволяет проверить способность приемника работать с предельно искаженным сигналом и определить фактический запас.
Возможный состав:
- Генератор тестовых последовательностей;
- Анализатор ошибок;
- Источник джиттера и других контролируемых искажений;
- Эмуляция канала;
- PCIe-оснастка и программное обеспечение.
Работа интерфейса в системе
Анализ протокола и процесса установления соединения
Качественный электрический сигнал не гарантирует правильную работу PCIe. Причина проблемы может находиться в процессе link training, настройках устройства, прошивке или протокольном обмене.
Протокольный анализ позволяет исследовать:
- Последовательность установления соединения;
- Состояния LTSSM и переходы между ними;
- Согласование скорости и ширины линка;
- Переходы в Recovery;
- Обучение и настройку эквалайзеров;
- Обмен TLP и DLLP;
- Повторную передачу пакетов;
- Протокольные и физические ошибки;
- Работу механизмов AER;
- Управление питанием и переходы между состояниями;
- Поведение устройства при внесении ошибок;
- Совместимость root complex, endpoint, switch и retimer.
Protocol exerciser может эмулировать отсутствующую сторону соединения, формировать необходимые сценарии обмена и создавать контролируемые ошибочные ситуации.
Типовые сценарии
Протокольная отладка
Используется для анализа link training, LTSSM, пакетов и взаимодействия компонентов PCIe.
Возможный состав:
- Protocol analyzer;
- Protocol exerciser;
- Interposer соответствующего форм-фактора;
- Средства внесения протокольных ошибок;
- Программное обеспечение для анализа трасс.
Контроль питания и служебных сигналов
Нестабильная работа PCIe может быть вызвана не только основным дифференциальным каналом, но и питанием, опорной частотой или служебными сигналами.
В зависимости от форм-фактора могут проверяться:
- Последовательность установления соединения;
- Состояния LTSSM и переходы между ними;
- Согласование скорости и ширины линка;
- Переходы в Recovery;
- Обучение и настройку эквалайзеров;
- Обмен TLP и DLLP;
- Повторную передачу пакетов;
- Протокольные и физические ошибки;
- Работу механизмов AER;
- Управление питанием и переходы между состояниями;
- Поведение устройства при внесении ошибок;
- Совместимость root complex, endpoint, switch и retimer.
Такое тестирование особенно важно для плат расширения, серверных платформ, ускорителей и устройств с высоким энергопотреблением.
Варианты построения решения
Инженерная валидация и compliance
Состав испытаний зависит от цели проекта. Инженерная отладка помогает обнаружить причину неработоспособности или нестабильности интерфейса. Pre-compliance позволяет предварительно оценить соответствие изделия требованиям PCIe до передачи на официальные испытания. Compliance testing выполняется по применимой версии спецификаций и утвержденным процедурам PCISIG. Наличие измерительного оборудования само по себе не означает прохождение официальной сертификации или включение изделия в PCISIG Integrators List.
Перед подбором решения необходимо определить:
- поколение PCIe и максимальную скорость;
- тип и форм-фактор устройства;
- количество линий;
- роль устройства: root complex, endpoint, switch или retimer;
- доступные тестовые режимы;
- необходимость TX, Channel-, RX и Protocol-тестирования;
- требуемый статус испытаний;
- необходимость контроля питания и sideband-сигналов;
- требования к автоматизации и отчетности.
Что получает заказчик
По результатам проекта заказчик может получить:
- согласованную методику испытаний;
- конфигурацию измерительного стенда;
- результаты измерений передатчика, канала и приемника;
- протокольные трассы и анализ LTSSM;
- Sпараметры и TDRпрофили канала;
- оценку соответствия согласованным требованиям;
- локализацию наиболее вероятного источника ошибки;
- рекомендации по изменению платы, канала или настроек устройства;
- программное обеспечение для автоматизации измерений;
- шаблон отчета для повторных и приемочных испытаний.
Почему комплексный подход эффективнее
Одна и та же внешняя проблема — например, периодический разрыв соединения — может быть вызвана разными причинами:
- недостаточным качеством передатчика;
- чрезмерными потерями канала;
- отражениями от разъема или переходного отверстия;
- низким запасом приемника;
- ошибкой настройки эквалайзера;
- нестабильным питанием;
- неправильной последовательностью служебных сигналов;
- ошибкой link training или прошивки.
Вопрос-ответ
Да, если под стендом понимать интегрированный измерительный комплекс, а не один универсальный прибор. Для тестирования передатчика применяется осциллограф, для проверки приемника — BERT или специализированный receiver tester, а для анализа link training и протокольного обмена — анализатор протокола и при необходимости exerciser.
Эти средства можно объединить в одном рабочем месте, использовать с общей оснасткой и программным обеспечением, однако для разных видов испытаний потребуются отдельные подключения, калибровки и тестовые режимы устройства.
Инженерная валидация предназначена для поиска причин нестабильной работы, оценки фактического запаса и исследования поведения устройства в различных режимах. Состав испытаний определяется задачами конкретного проекта и может выходить за пределы обязательных тестов. Pre-compliance позволяет предварительно проверить изделие по применимым требованиям PCIe до передачи на официальные испытания. Compliance-тестирование проводится по процедурам PCI-SIG и включает установленные критерии pass/fail. Успешное прохождение внутренних лабораторных испытаний само по себе не означает официального подтверждения compliance или включения изделия в PCI-SIG Integrators List.
Не всегда. Для проверки передатчика, глазковой диаграммы, джиттера или анализа протокола BERT обычно не требуется.
BERT необходим, когда требуется количественно оценить приемник: сформировать калиброванный stressed signal с заданными потерями, джиттером и шумом, проверить устойчивость приемника, измерить BER или реакцию устройства на ошибки и определить фактический запас. Для PCIe 6.0 требуется решение, поддерживающее PAM4 и соответствующие тестовые режимы.
Анализатор протокола требуется, если соединение не устанавливается, работает на меньшей скорости или ширине, периодически переходит в Recovery либо проблема возникает во время перечисления устройств, управления питанием или обмена данными.
Он позволяет исследовать LTSSM, link training, согласование скорости и ширины соединения, equalization, TLP и DLLP, повторные передачи и протокольные ошибки. Если необходимо эмулировать Root Complex или Endpoint, формировать специальные сценарии либо вносить ошибки, дополнительно применяется protocol exerciser.
Да. Для этого необходимы оснастка или interposer, соответствующие поколению PCIe, форм-фактору устройства и ширине соединения.
Электрические параметры TX и RX обычно исследуются по отдельным линиям или последовательно по выбранным линиям, тогда как протокольный анализ и нагрузочное тестирование могут выполняться для полного соединения x16. При комплексной проверке также оцениваются согласование ширины линка, lane reversal, межлинейный skew, equalization и устойчивость соединения под нагрузкой. Проверка только одной линии не заменяет валидацию всей конфигурации x16.
PCIe 6.0 работает со скоростью 64 GT/s и использует PAM4 с четырьмя уровнями сигнала и тремя глазковыми раскрытиями. Поэтому проверка только обычной глазковой диаграммы недостаточна.
Для тестирования передатчика применяется высокополосный осциллограф с анализом PAM4 и средствами de-embedding. Канал характеризуется с помощью ВАЦ и TDR/TDT. Приемник проверяется PAM4-совместимым BERT, формирующим калиброванный stressed signal; его параметры контролируются осциллографом. Анализатор протокола и exerciser используются для проверки link training, FLIT Mode, FEC, CRC, обработки ошибок и восстановления соединения.
При наличии retimer электрические участки до и после него необходимо рассматривать как отдельные сегменты канала.
- поколение PCIe;
- тип и форм-фактор устройства;
- количество линий;
- роль устройства;
- стадия разработки;
- наблюдаемая проблема;
- необходимые виды испытаний;
- требуется ли pre-compliance.