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PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測試（上篇：理論篇）

2020-04-08 11:08:14 作者：泰克科技應(yīng)用工程師李煜

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PCIe接口自從被推出以來，已經(jīng)成為了PC和Server上最重要的接口。為了更高了數(shù)據(jù)吞吐率，PCI-SIG組織不斷刷新接口標(biāo)準(zhǔn)，從PCIe 3.0的8GT/s數(shù)據(jù)速率，到PCIe 4.0的16GT/s數(shù)據(jù)速率，再到PCIe 5.0的32GT/x。PCI-SIG組織實現(xiàn)了在速率翻倍的同時，仍能保持使用普通的FR4板材和廉價接插件，主要源自兩個方面的改進(jìn)，一是使用128b/130b編碼來代替8b/10b編碼，使得編碼效率大幅提高；另一個是使用動態(tài)均衡技術(shù)，來代替先前代的靜態(tài)均衡技術(shù)。

這里聚焦于PCIe 3.0和4.0中的動態(tài)均衡技術(shù)，介紹其原理、實現(xiàn)及其相關(guān)的一致性測試。這樣一種動態(tài)均衡技術(shù)，在spec中被稱作“Link Equalization”（鏈路均衡，簡稱為LEQ）。本系列文章分上下兩篇，本文理論篇主要介紹PCIe 3.0/4.0的鏈路均衡的工作原理，下一篇實踐篇則側(cè)重于鏈路均衡的測試和調(diào)試。

另外，泰克PCI Express專家David Bouse將在4月10日（周五）13:00-16:00直播課堂【PCI Express 5.0規(guī)范更新解讀和測試揭秘】講解如何解決PCIe 5.0的新測試挑戰(zhàn)https://info.tek.com/cn-pcie-mofu.html。

PCIe 3.0 & 4.0的鏈路均衡

在PCIe 3.0和4.0中的鏈路均衡技術(shù)相較于先前代要復(fù)雜得多，這樣一種動態(tài)均衡技術(shù)可以分為兩個方面進(jìn)行討論。

均衡特性方面：從這個方面來說，相對于先前代的均衡來說，3.0和4.0中的均衡技術(shù)的硬件性能指標(biāo)要求更高了。
協(xié)議方面：為了實現(xiàn)動態(tài)地調(diào)整均衡設(shè)置，需要協(xié)議層的配合，這是通過PHY層的LTSSM狀態(tài)機(jī)中的Recovery.Equalization子狀態(tài)來實現(xiàn)的。

先來從均衡特性的角度來看看PCIe 3.0和4.0的均衡，如下展示了在PCIe 3.0/4.0中所使用的全部均衡技術(shù)，在Tx端有FFE（Feed Forward Equalizer，前饋均衡器）；在Rx端有：CTLE（Continuous Time Linear Equalizer，連續(xù)時間線性均衡器）和DFE（Decision Feedback Equalizer，判決反饋均衡器）。通過FFE和CTLE，可以去除大部分由ISI所引入的抖動；通過DFE可以進(jìn)一步去除ISI，它還能去除部分的阻抗失配所造成的反射。通過這些均衡處理，就能夠最大程度上地保證在接收端判決輸入處將眼圖打開。
除了上述這些均衡特性上的支持外，在協(xié)議層（LTSSM）中還規(guī)定需要通過協(xié)議的方式來動態(tài)調(diào)整鏈路上的均衡設(shè)定值，這整個過程稱作鏈路均衡（Link Equalization，LEQ）。在鏈路均衡過程中：

本地端按照某個初始Tx EQ的設(shè)定來發(fā)送數(shù)據(jù)；
對端在接收到數(shù)據(jù)時，會根據(jù)誤碼率或信號質(zhì)量來判斷該Tx EQ是否合適；
若不合適，對端會通過協(xié)議向本地端請求一個新的Tx EQ值；
本地端在接收到這個請求值之后，會改變Tx EQ的值。

通過這一動態(tài)過程，就能夠保證鏈路上的Tx EQ為最優(yōu)值。與此同時，本地端和對端也會同時調(diào)整Rx EQ。通過動態(tài)地調(diào)整Tx EQ和Rx EQ，就能夠靈活地適應(yīng)不同的信道情況。

發(fā)送端的均衡：FFE
在PCIe 3.0 & 4.0中使用的都是3-tap FFE，如圖 2a所示。其中，為數(shù)字信號，建模時取值為±1；為FFE的抽頭系數(shù)；為發(fā)送端的模擬信號輸出。

理想情況下的差分電壓幅度有：23÷2=4種可能性，這四個電壓幅度在PCIe標(biāo)準(zhǔn)中（如圖 2b所示）分別被標(biāo)記為Va，Vb，Vc，Vd。

其中，Vb被稱作去加重電壓（de-emphasis voltage），Vc被稱作預(yù)沖電壓（preshoot voltage）；Vd被稱作最大幅度電壓（boost voltage），PCIe標(biāo)準(zhǔn)中沒有為Va取一個專門的名字。在此基礎(chǔ)上，標(biāo)準(zhǔn)中通過三組比值來完備地描述FFE的性能：

若不加限制的來說，那么形成的組合有無窮多個。但并不是所有的組合在實際應(yīng)用中都是合適的。其中一個最重要的約束條件就是：去加重電壓Vb不能過小，過小的去加重電壓會導(dǎo)致輸出信號在接收端的眼高過低。因此通過BOOST比值對去加重地電壓幅值進(jìn)行限制：對于滿擺幅的Tx輸出，規(guī)范要求BOOST≤9.5dB；對于減擺幅的Tx輸出，規(guī)范要求BOOST≤3.5dB。最終會形成一個如圖 3類似的矩陣表，圖中系數(shù)的粒度為1/24。在實際應(yīng)用中可以是其他的粒度值，例如1/64；更小的粒度能夠使系數(shù)空間的取值可能性更多，在LEQ調(diào)節(jié)時也更精細(xì)。

鑒于系數(shù)空間上的取值可能性較多，PCI-SIG協(xié)會在開發(fā)協(xié)議的過程中，廣泛地研究了在不同插入損耗下最優(yōu)的系數(shù)取值組合；最后選定了若干個特定的系數(shù)取值組合，并把它們稱作預(yù)設(shè)定值（preset），在實際的LEQ過程中，鏈路雙方就可以先采用預(yù)設(shè)定值進(jìn)行粗調(diào)；若還認(rèn)為鏈路的均衡設(shè)置仍然沒有達(dá)到最優(yōu)，可以進(jìn)一步通過系數(shù)空間的方式進(jìn)行細(xì)調(diào)，最終達(dá)到速度和精度的平衡。
接收端的均衡：CTLE和DFE
在PCIe 3.0 & 4.0 基礎(chǔ)規(guī)范中，并沒有明確地規(guī)定接收端的結(jié)構(gòu)是怎樣的；而只是從測量的角度對接收端性能進(jìn)行了規(guī)定。相反地，在規(guī)范中定義了一個行為級CTLE和行為級DFE。這些行為級模型可以作為設(shè)計指南；并且為了使得待測對象能夠通過規(guī)范的要求，一般來說用戶所設(shè)計的接收端性能至少要等于這些行為級模型的性能，可以強(qiáng)于這些行為級模型，但不能弱于這些行為級模型。

發(fā)送端的輸出在經(jīng)過一段很長的FR4走線之后，僅僅使用CTLE，可能是不夠的。因此在PCIe 3.0 & 4.0中，還使用了DFE的技術(shù)。在3.0中，使用1-tap的DFE，而在4.0，由于速率相對于3.0翻倍了；所以使用2-tap的DFE，以便移除更大的ISI。

與線性均衡器FFE和CTLE相比，DFE為一種非線性均衡器。DFE的基本想法是：若已經(jīng)正確接收了之前的比特數(shù)據(jù)的話；那么先前的比特數(shù)據(jù)對當(dāng)前比特所產(chǎn)生的影響就是已知的；從而我們就可以通過反饋的方式進(jìn)行補(bǔ)償，這樣就能夠進(jìn)一步消除抖動和噪聲的影響。不難看出這里的非線性體現(xiàn)在：反饋回來的信號是經(jīng)過判決之后的數(shù)字信號；而判決電路是一種非線性電路。顯然，反饋通路上的抽頭數(shù)目越多，那么對抖動和噪聲的消除可能就越好；這也就是為什么3.0中使用1-tap的DFE，而在4.0中使用2-tap的DFE。

鏈路均衡過程
鏈路上的兩端剛開始建立通信的時候，并不知道整個信道的物理特性是怎樣的，例如插入損耗多大，是否有阻抗不連續(xù)等。由于PCIe 3.0和4.0的插入損耗允許的變化范圍很大，一個靜態(tài)的均衡設(shè)置并不能覆蓋所有的情況。這樣就需要鏈路上的雙方根據(jù)當(dāng)前物理信道的特性，來動態(tài)地調(diào)整均衡設(shè)置，使得均衡設(shè)置對于當(dāng)前的物理信道來說是最優(yōu)的。假設(shè)Port A和Port B是一個鏈路上的兩端，那么鏈路均衡過程要做的事情有：

配置Port A和Port B的初始均衡設(shè)置；
配置從Port A Tx à Port B Rx這一方向的均衡設(shè)置；
配置從Port B Tx à Port A Rx這一方向的均衡設(shè)置；

下面我們以Port A Tx à Port B Rx這一方向來說明鏈路均衡時如何實現(xiàn)的。如圖 6所示，在8GTs/或者16GT/s速率下的鏈路開始建立通信時，是以初始的未優(yōu)化的TX EQ在發(fā)送TS1/TS2序列，并且Port A在TS1/TS2序列中表明其所用的TX EQ的值。

當(dāng)Port B Rx在接收到這些TS1/TS2序列時，芯片內(nèi)部存在一塊電路或者一套算法來評估當(dāng)前的TX EQ是否合適，若認(rèn)為不合適，就會如圖7所示，發(fā)送TS1序列來請求一個新的TX EQ。

隨后，Port A會接收到請求設(shè)置TX EQ的TS1序列，如圖8所示，調(diào)整其TX端的FFE的設(shè)置。

Port A在調(diào)整完Tx FFE的設(shè)置之后，如圖9所示，會將新的TX EQ設(shè)置值更新到TS1/TS2的序列之中，發(fā)送到Port B端。若Port B仍然覺得這個時候的TX EQ不是最優(yōu)，那么仍然會重復(fù)圖中的2~4步驟，直到達(dá)到最優(yōu)的TX EQ。當(dāng)然上述過程并不能無限進(jìn)行下去，必須要在大概32ms的范圍進(jìn)行完。

在上述2~4步驟的同時，Port B的RX端也在不停地調(diào)整其RX EQ，如圖 10所示。如圖6~圖10中所討論的，LEQ是基于請求-響應(yīng)機(jī)制來完成動態(tài)均衡的。在PCIe的規(guī)范中，LEQ總共包含四個階段：Phase 0、Phase 1、Phase 2、Phase 3。其中上行端口包含全部四個過程；而下行端口不包含Phase 0。

通過圖11不難看出，在LEQ過程中，上行端口和下行端口的行為是有區(qū)別的。以上描述的是在LEQ過程中鏈路上的雙方如何調(diào)整Tx EQ。而對于Rx EQ，根據(jù)Base規(guī)范中的說明，在整個LEQ的過程、以及在后續(xù)正常工作的過程中，鏈路雙方都可以一直調(diào)整Rx EQ。

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關(guān)鍵詞： PCIe 泰克測試測量