高速串行总线的信号完整性验证

sysop

  摘 要：随着第三代I/O技术的出现，人们开始步入高速传输的时代。在使用PCI Express、SATA等高速串行总线时，如何保持信号的完整性是一个挑战。本文结合实例，介绍信号完整性验证的基础知识和方法。
关键词：信号完整性；眼图；测试
---一般来讲，电子产品的设计都离不开以下几个部分：电源、时钟、复位信号、总线和接口，正是这些各个部分的信号连接着整个系统，也是决定系统稳定性的重要角色之一。系统的稳定性和设计质量的好坏，从信号本身的角度可以看出丝许端倪，其实这也就是信号完整性研究的内容。
---随着技术的不断发展，设计工程师会越来越多地面临着高速信号的设计处理的问题，高速数据总线技术的发展，也给测试带来了新的挑战。
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第三代I/O技术PCI Express，使人们可以突破以往PCI带宽较窄的瓶颈限制，从而更加灵活地设计的自己高性能系统。对于PCI Express的测试，PCISIG已经有详细的测试方法了，但是实际系统千差万别，PCISIG也不可能一一规定得清清楚楚，所以这就需要对各个总线规格的技术特征要有深入的了解，确定到底那条才是符合实际系统的标准。不只是PCI Express，光纤通道(Fiber Channel)、Infiniband、千兆以太网、1394b、USB等信号的测量也有同样的问题。
---对于任何总线或是信号的测试，首先要对其所用的技术规格非常熟悉，一个经验丰富的工程师只需要看技术规范，就能大致找到测试方法，当然有的时候需要配置完备的仪器才行。
---首先来看眼图的测量，要测试眼图就得先找到规定的眼图的模板，也就是Eye Mask。各个技术规格都会有明确的规定，工程师可以从技术规范中找出眼图模板的规格，在测试仪器上(如示波器)按照规格进行编辑眼图模板，图1是光纤通道标准规定不同的点对应的不同的眼图模板。一般来说，仪器厂家都会有已经做好的模板文件，只需调用就行了，当然工程师一定要去对照标准检查一下，仪器厂商有时候提供的也不一定是正确的，会浪费用户的很多时间。至于接下来的测试就简单了，只需要把测试信号接到仪器上就行了，或是直接点到测试点上，或是通过专用的测试夹具，或是通过输出的接口等。
---现在的高速串行总线采用8B/10B编码已是潮流，还有预加重(Pre-emphasis)，去加重(Deemphasis)，嵌入式时钟等都是比较重要的概念。
---在测试的过程中，怎么样抓取所需要的信号是个关键，比如PCI Express、光纤通道等测试就显得很简单，它会自动发出一连串的Compliance pattern供测试用。但是对于以太网、1394等，就没有那么简单了，这需要各个芯片厂商的支持才行，用户需要从芯片厂商那里获取如何开启芯片的寄存器，使芯片进入所谓的测试模式(test mode)，发出想要的图案(pattern)或是数据包(package)，这样就能抓取想要的信号，从而验证它的品质了。
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说到抓取信号，当然离不开仪器探头之类的东西了，但是对于不同技术规格的信号，应该有不同的选择要求，如带宽、上升时间、灵敏度、采样率等，这些可以跟仪器厂商联系，他们会有一些解决方案，但是这些基本的东西需要用户自己掌握，因为很多测试仪器的价格可是不菲的。
---当工程师抓取到信号时，就可以测试了。现在很多仪器厂商会提供一些傻瓜式应用程序，只需用户单击一下run或是start，就可以帮用户完成大部分测试，并且还会自动生成报告。但工程师也不能过分依赖仪器厂商，一来这些应用软件很多时候并不是免费的，而且还价格昂贵，二来仪器厂商也不是万能的，有的时候，有的参数还得靠自己一个一个去测量，其实这才是体现工程师价值的时候。下面就以光纤通道信号的测试作为实例简单介绍一下。
---测量信号为Fibre Channel(FC)，信号的速率为2.125Gbps。根据信号速率，选择了一台7GHz带宽，20GSPS采样速率的实时示波器Tektronix TDS7704B。探头为为5GHz带宽的差分探头P7350，注意，示波器里面必须具有CDR(clock distract recovery)模块，因为这些高速串行总线的时钟都是嵌入在数据中，所以需要CDR去从数据中恢复出时钟信号，这样才能去采样信号。还有一个就是实时串行数据分析软件，如泰克的RT-eye软件。

                               
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目前这个软件可以完成光纤通道信号大部分的测试项目，如眼图、抖动、上升时间、下降时间、eye height、eye width、Jitter@BER、Dj、Rj、eye opening@BER、速率、UI，还可以画浴盆曲线、统计图、直方图等。图2为实际2.125GHz光纤通道信号的测试结果，图3是2.5GHz的PCI Express总线信号的测试结果。
---在这里要提醒的是以下几点，一是图案长度的设置，二是图案类型的选择，三是锁相环滤波器带宽的选择，四是BER要求的数据量。


参考文献
1 PCI Express Base Specification Revision 1.0a. PCISIG. April 15. 2003
2 FIBRE CHANNEL PHYSICAL INTERFACES (FC-PI-2). NCITS working draft. July 11.2003
3 InfiniBand Architecture Specification Volume 1. Release 1.2. Sept. 2004