當(dāng) AI 數(shù)據(jù)中心的算力需求呈指數(shù)級爆發(fā)，PCIe 6.0 已然成為那條不可或缺的“高速公路”。但你是否想過，當(dāng)雙向帶寬狂飆至 512 GB/s（PCIe 7.0 規(guī)范），信號傳輸?shù)拿恳粋€微小抖動都可能引發(fā)風(fēng)暴？速度的躍升帶來了前所未有的測試復(fù)雜度，工程師們急需一雙能夠“透視”高速通道的眼睛。今天，我們就來聊聊這雙“火眼金睛”——PCIe 協(xié)議分析儀，看它如何在不降低信號完整性的前提下，幫你洞悉數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿恳粋€細(xì)節(jié)。

本文將系統(tǒng)介紹 PCIe 協(xié)議測試的基礎(chǔ)知識、協(xié)議分析儀的核心功能與工作原理，并探討其如何助力解決 PCIe 驗證過程中的技術(shù)挑戰(zhàn)。

1什么是協(xié)議分析儀？

圖1：是德科技P5570A PCIe 6.0 協(xié)議分析儀，P5573A PCIe 6.0 訓(xùn)練器，兩者均固定在底部的測試背板上

在電子測量領(lǐng)域，PCIe協(xié)議分析儀的作用是捕獲并解析PCIe總線上的數(shù)據(jù)包，用于性能評估、故障排查、兼容性測試和系統(tǒng)優(yōu)化，是開發(fā)、調(diào)試和驗證PCIe設(shè)備不可或缺的工具。它用極高信號保真度的interposer 把PCIe鏈路上的所有協(xié)議流量捕獲下來，通過同時洞察 PHY/DLLP/TLP 三層的行為，分析儀可以完整監(jiān)控整個系統(tǒng)在訓(xùn)練、數(shù)據(jù)交換與錯誤恢復(fù)過程中的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)。

表1：PCIe總線數(shù)據(jù)包主要內(nèi)容

對于工程師而言，理想的協(xié)議分析儀需要具備完全透明性，這樣它就不會因其自身電路或電纜引入額外的信號完整性誤差，也不會影響任何通信系統(tǒng)的功能。此外，它還應(yīng)具有極低的延遲并且?guī)缀鯖]有性能損耗。工程師可以選擇使用專用的硬件儀器、通用儀器的內(nèi)置軟件功能，或者離線分析軟件。每種方式都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如下所述：

圖2：專用 PCIe 協(xié)議分析儀與訓(xùn)練器硬件

專用協(xié)議分析儀與訓(xùn)練器硬件能提供最嚴(yán)格、最深入的測試與分析能力。例如，在上圖所示場景中，是德科技P5570A PCIe 6.0 協(xié)議分析儀這類專用 PCIe 協(xié)議分析硬件，可捕獲根復(fù)合體（Root Complex）與外圍設(shè)備之間的 PCIe 通信數(shù)據(jù)，且不會引入任何干擾或信號完整性誤差。它會將捕獲到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸至另一臺計算機(jī)進(jìn)行分析和可視化處理。借助是德科技PCle 6.0 協(xié)議分析儀（P5570A）及訓(xùn)練器（P5573A）這類專用協(xié)議硬件，可對根復(fù)合體、外圍設(shè)備，或兩者同時進(jìn)行嚴(yán)格且精準(zhǔn)的仿真。這種專用硬件儀器組合，能夠?qū)ο嚓P(guān)場景及邊界情況進(jìn)行全面的功能與性能測試。

示波器等通用儀器也具備協(xié)議解碼功能。不過，這類功能雖便于快速進(jìn)行功能檢查，卻可能不具備專用硬件所擁有的深入、全面的分析能力。例如，是德科技InfiniiVision 系列示波器可捕獲車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其設(shè)備內(nèi)置的軟件組件能將捕獲到的比特流解碼為特定協(xié)議的指令與數(shù)據(jù)，并直接顯示在儀器屏幕上。是德科技 Infiniium UXR 系列示波器也有針對 PCIe 及其他高速數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)的類似協(xié)議解碼軟件。

2協(xié)議分析儀適用的場景

PCIe 協(xié)議分析儀與訓(xùn)練器可支持對多種設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的測試，以下是常見的測試應(yīng)用場景：

圖3：適用于不同使用場景的 PCIe 協(xié)議分析儀與訓(xùn)練器配置示意圖

●分析根復(fù)合體與端點(diǎn)設(shè)備間的 PCIe 通信：將分析儀部署在物理根復(fù)合體（Root Complex）與 PCIe 端點(diǎn)設(shè)備（Endpoint Device）之間，測試二者的互操作性。

●仿真根復(fù)合體以測試端點(diǎn)設(shè)備：由訓(xùn)練器仿真根復(fù)合體，將其與協(xié)議分析儀連接，分析儀再與被測件相連。這種配置可幫助設(shè)備制造商進(jìn)行 PCIe 一致性測試。

●仿真端點(diǎn)設(shè)備以測試根復(fù)合體（RC）：由訓(xùn)練器仿真各類端點(diǎn)設(shè)備，并與分析儀連接；待測試根復(fù)合體則連接至分析儀的另一端。通過這種方式，可讓根復(fù)合體接收來自不同設(shè)備的多種 PCIe 通信信號，從而完成對根復(fù)合體的測試。

3PCIe 協(xié)議測試面臨哪些挑戰(zhàn)？

在下一代 AI 數(shù)據(jù)中心中測試 PCIe 協(xié)議，主要面臨三大關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

01在不丟失數(shù)據(jù)情況下捕獲高數(shù)據(jù)速率

PCIe 6.0 的高速數(shù)據(jù)傳輸（雙向速率均高達(dá) 256 GB/s）對測試儀器提出了高要求，需要借助高速儀器實(shí)現(xiàn)無丟失的數(shù)據(jù)捕獲。

02保持信號完整性且不受干擾

高速數(shù)據(jù)傳輸會導(dǎo)致信號反射與串?dāng)_，因此，防止信號劣化和通道損傷至關(guān)重要，但與此同時，協(xié)議分析儀在測試系統(tǒng)中需實(shí)現(xiàn)“無存在感”工作：既不能無意中改善已存在的信號劣化問題，也不能對時序誤差進(jìn)行修正（需如實(shí)反映原始信號狀態(tài)，以確保測試結(jié)果準(zhǔn)確）。

03可視化復(fù)雜的協(xié)議事務(wù)

每一代 PCIe 規(guī)范都會引入更復(fù)雜的事務(wù)處理機(jī)制，因此必須具備先進(jìn)的解碼與分析能力，才能跟上協(xié)議復(fù)雜度的升級步伐。

4協(xié)議分析儀如何工作？

01.PCIe 協(xié)議分析儀如何解碼并呈現(xiàn)捕獲的流量？

為進(jìn)行有效調(diào)試與故障排除，是德科技P5570A 協(xié)議分析儀及其配套的 P5500 軟件，會通過友好的圖形用戶界面（GUI）呈現(xiàn)所有協(xié)議層的詳細(xì)信息。底層鏈路初始化是關(guān)鍵流程，也是諸多錯誤的源頭。如下所示，通過LTSSM 視圖查看狀態(tài)變化，設(shè)備底層運(yùn)行情況一目了然。

圖4：LTSSM 視圖

鏈路建立后，通道視圖（Lane View）可深入呈現(xiàn)底層數(shù)據(jù)傳輸情況——如圖所示，該視圖能顯示每條 PCIe 通道（Lane）中正在傳輸?shù)木_符號（Symbol）及其對應(yīng)的兩位序列（Two-bit sequences），幫助工程師直觀觀察物理層的信號傳輸細(xì)節(jié)（如符號完整性、傳輸順序）。

圖5：通道視圖

FLIT發(fā)送是否正常？FEC與循環(huán)冗余校驗（CRC）功能是否無誤？這些問題可以通過查看如下的 FLIT 視圖來解答——該視圖可清晰展示 FLIT 的結(jié)構(gòu)（頭部、數(shù)據(jù)、尾部）、嵌入的 FEC 編碼與 CRC 編碼，以及相關(guān)校驗結(jié)果，幫助工程師快速判斷數(shù)據(jù)在物理層傳輸中的完整性與糾錯機(jī)制有效性。

圖6：FLIT 視圖

高層事務(wù)（High-level Transactions）可通過事務(wù)解碼界面（Transaction Decode Screen）進(jìn)行分析——該界面會將物理層傳輸?shù)脑紨?shù)據(jù)解碼為事務(wù)層可識別的事務(wù)層數(shù)據(jù)包（TLP），清晰展示讀/寫操作的地址、數(shù)據(jù)長度、事務(wù)類型及狀態(tài)等關(guān)鍵信息，助力工程師排查事務(wù)層的協(xié)議交互問題（如異常 TLP 格式、事務(wù)響應(yīng)超時等）。

圖7：事務(wù)解碼界面

事務(wù)相關(guān)的TLP與DLLP可在如下所示的數(shù)據(jù)包視圖（Packet View）與流量概覽界面（Traffic Overview Screen）中查看：

●數(shù)據(jù)包視圖：會逐一展示每個 TLP 和 DLLP 的完整結(jié)構(gòu)（如頭部字段、有效載荷、校驗碼），便于工程師核查單個數(shù)據(jù)包是否符合 PCIe 協(xié)議規(guī)范；

●流量概覽界面：則以宏觀視角呈現(xiàn)一段時間內(nèi)的 TLP、DLLP 傳輸總量、速率及錯誤包占比，幫助快速定位流量異常（如突發(fā)丟包、錯誤包激增）的時間節(jié)點(diǎn)。

圖8：數(shù)據(jù)包與流量概覽界面

PCIe 性能測試與功能驗證同樣關(guān)鍵。如圖所示，性能視圖（Performance View）會展示關(guān)鍵的時序與速率指標(biāo)（如事務(wù)響應(yīng)延遲、每通道實(shí)際傳輸速率、帶寬利用率等），幫助工程師精準(zhǔn)識別性能瓶頸（例如，響應(yīng)延遲過長導(dǎo)致的傳輸卡頓、帶寬未達(dá)設(shè)計值等問題）。

圖9：性能概述

02.PCIe 協(xié)議分析儀如何處理前向糾錯（FEC）？

P5570A 和 P5573A 這樣的協(xié)議分析儀與訓(xùn)練器在設(shè)計時采用了以下策略，確保不會對前向糾錯（FEC）機(jī)制的功能或性能產(chǎn)生影響：

●非侵入式設(shè)計：該設(shè)備完全不會修改或干擾FEC過程。其設(shè)計旨在確保對PCIe鏈路實(shí)現(xiàn)完全透明（即鏈路無法感知分析儀的存在，不影響鏈路正常交互）。

●低延遲攔截：為滿足 PCIe 性能標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)EC延遲必須低于 2 ns。協(xié)議分析儀的設(shè)計符合這些嚴(yán)苛的延遲要求，確保工程師能夠準(zhǔn)確掌握鏈路真實(shí)的性能表現(xiàn)。

●支持流量控制與信號傳輸技術(shù)升級：協(xié)議分析儀與訓(xùn)練器的設(shè)計可適配 PCIe 6.0 的技術(shù)改進(jìn)，如固定大小的 FLITs 幀與 PAM4 信號調(diào)制，這些改進(jìn)對于FEC過程至關(guān)重要。

●糾錯效果監(jiān)測：P5570A 等高端協(xié)議分析儀能夠監(jiān)測 FEC 的有效性，可分析 FEC 各步驟的狀態(tài)，并核查 FEC 糾錯是否成功、循環(huán)冗余校驗（CRC）是否通過。

●全面測試自動化：要有效驗證 FEC 性能，需借助完善的測試自動化功能開展壓力測試與仿真 —— 在各類場景下對 FEC 進(jìn)行測試。這包括通過應(yīng)用程序接口（API）刻意改變信號條件、注入錯誤，以此評估 FEC 的抗干擾能力（穩(wěn)健性）。

是德科技PCIe協(xié)議分析儀解決方案

圖10：PCIe 5.0協(xié)議分析儀及訓(xùn)練器（左）PCIe 6.0協(xié)議分析儀及訓(xùn)練器（右）

是德科技的PCIe5.0/6.0協(xié)議分析儀和訓(xùn)練器采用了創(chuàng)新的CEM卡外形設(shè)計，將分析儀和內(nèi)插器(Interposer)整合在一起，可以憑借其高信號完整性能為 PCIe 設(shè)備提供最精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析。工程師們從而可以專注于設(shè)備本身的調(diào)試工作，無需擔(dān)憂測試儀器是否引入新問題或覆蓋已有問題。

圖11：PCIe 6.0端到端解決方案

是德科技一直致力于突破性測量技術(shù)的研發(fā)，不斷突破高速數(shù)字技術(shù)的創(chuàng)新邊界。下一代PCIe 7.0互連技術(shù)，將使每個引腳的數(shù)據(jù)傳輸速度提高到 128 GT/s ——雙向傳輸帶寬將高達(dá)512?GB/s。PCIe 7.0性能翻倍的背后，是工程復(fù)雜度與部署挑戰(zhàn)的直線上升，從信號完整性、電路板設(shè)計，到系統(tǒng)散熱與能耗控制等各個方面對系統(tǒng)平臺提出了更嚴(yán)苛的要求。是德科技提供從設(shè)計仿真到物理層收發(fā)端以及協(xié)議分析測試一站式解決方案，助力屏幕前的你們成功解決PCIe技術(shù)難題。文章的最后，小編給大家留下了可供下載的測試白皮書，歡迎大家下載閱讀！

希望親臨現(xiàn)場，直接觀看測試方案？

我們誠邀您攜手

共探技術(shù)核心

12月18日，PCIe專題研討會為您開啟！

關(guān)于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標(biāo)準(zhǔn)普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進(jìn)的設(shè)計、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時控制好風(fēng)險。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動化、航空航天與國防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個安全互聯(lián)的世界。