一文讀懂PCI-Express硬件接口

PCIe接口全稱PCI Express，由PCI-SIG組織發(fā)布的用于替代PCI總路線的新一代高速串行總線與接口。PCIe接口版本經(jīng)歷PCIe1.0、PCIe2.0、PCIe3.0，目前主流應用的PCIe接口為PCIe2.0。

PCIe作為高速差分串行接口用于替代PCI單端并行接口，在進行物理層信號測試時，不同于PCI利用同步時鐘（33MHz）進行數(shù)據(jù)讀寫，PCIe通過高達2.5Gbps的速率對信號進行收發(fā)操作，硬件測試時主要關注其參考時鐘（100MHz）和差分收發(fā)信號（2.5Gbps或5Gbps）。

1、PCIe接口硬件特性

PCIe規(guī)范非常復雜，規(guī)格分為基本標準（Base）和CEM標準（Card Electromechanical），前者主要描述PCIe的基本結構、協(xié)議、鏈路層、物理層以及軟件接口，適用于所有PCIe接口，后者重點關注PCIe接口在PCI桌面/服務器中的應用策略，包括各種類型的插卡的定義與使用等，兩個規(guī)范互有關聯(lián)，要理解芯片級互連的硬件（電氣）特性要求，需要深入分析兩個規(guī)范。

2、PCIe基本拓撲結構

PCIe CEM標準規(guī)范根據(jù)PCIe器件的位置將PCIe分成三種拓撲結構：

芯片級互連，PCIe器件在同一系統(tǒng)單板上；
插卡級互連，PCIe器件通過插卡與系統(tǒng)板插座互連，系統(tǒng)板和插卡上各有一個PCIe器件；
背板級互連，PCIe器件分別在兩種插卡，通過背板（或系統(tǒng)板）上插座完成PCIe互連。

圖2.1?1、芯片級互連

圖2.1?2、插卡級互連

圖2.1?3、背板級互連

其中，插卡級互連與背板級互連多用于PC或服務器的主板，PCIe CEM規(guī)范對其硬件電氣特性描述非常詳細，且主流的高端示波器廠家都提供了一致性測試夾具和軟件，這里不作描述。

3、芯片級互連PCIe電氣特性

芯片級PCIe互連在通信產品中應用極為廣泛，目前幾乎完全替代PCI接口，成為了芯片互連的標準接口。芯片級PCIe接口通過是1 lane的差分串行線連接，主要信號包括復位、參考時鐘Refclk以及收發(fā)差分串行SerDes信號，復位信號較為簡單，PCIe規(guī)范沒有特殊要求，本文重點討論Refclk與SerDes信號要求與測試。

3.1 參考時鐘Refclk±

關于PCIe參考時鐘， PCIe Base 2.1規(guī)范中沒有對Refclk的電氣特性有明確說明，只是在4.3.7章節(jié)說明對于2.5GT/s系統(tǒng)的時鐘參考《PCE Express Card Electromechanical Specification, Rev.2.0》。

查看PCIe card 2.0，對差分時鐘Refclk±有明確的電氣特性要求，如下所示。

從規(guī)范的要求來看，對輸入?yún)⒖紩r鐘重點關注時鐘頻率（周期）、占空比、上升/下降沿、差分輸入高低電平、邊沿單調性、單端交叉點電平以及周期間抖動等指標。

對于PCIe參考時鐘的使用，一般也有兩結構Common-clock bus與 Source synchronous bus，前者是通過晶振或差分時鐘驅動器同時給PCIe的主（master）從（slave）器件提供參考時鐘，后者是同主器件驅動時鐘給從器件接收。對于common-clock模式，主從器件的參考時鐘都要測試，PCIe接口中的參考時鐘只是作為基準時鐘使用，對差分信號沒有同步要求，所以不需要測試主從時鐘的時延skew，對source syschronous模式，只需要在從器件測試參考時鐘的接收端即可。

3.2 高速串行差分信號RXD±與TXD±

PCIe2.X支持5GT/s和2.5GT/s兩種速率，對于板內芯片級互連來說，驅動端（Transimitter）信號質量不是最重要的，重點關注接收端（Receiver）信號的電氣特性要求。

PCIe Base 2.1中第4.3.4章節(jié)對Receiver的電氣特性有了明確要求。

從規(guī)范得出，Receiver重點關注差分信號眼圖和抖動，對應VRX-DIFF-PP-CC和TRX-EYE-MEDIAN-to-MAX-JITTER，同時，測試時需要設計Rx PLL的帶寬。

4、PCIe接口硬件測試

根據(jù)上述章節(jié)對芯片級PCIe硬件電氣特性的描述，PCIe硬件測試主要包括PCIe參考時鐘測試和PCIe接收端信號測試。

4.1 PCIe參考時鐘測試

PCIe參考時鐘Refclk±為差分信號，分單端測試和差分測試，前者使用兩個有源單端探頭同時測試參考時鐘的正負端，測量交叉點電壓VCROSS，同進觀察邊沿單調性；后者利用差分探頭測試差分時鐘的正負端，測量項包括頻率、上升/下降沿斜率、差分高低電平、點空比、邊沿單調性、時鐘抖動等。具體測量項見下表所示。

表4?1 PCIe參考時鐘特性測試數(shù)據(jù)

4.2 PCIe接收端信號測試

PCIe串行數(shù)據(jù)信號測試，只測試信號的接收端（RXD在master端測試，TXD在slave端測試），測試點盡量靠近芯片引腳處。因PCIe規(guī)范對數(shù)據(jù)交叉電壓沒有要求，數(shù)據(jù)信號主要是測試差分信號，單端不作測試。測試內容分為眼圖和抖動，測試時注意示波器PLL帶寬的設置。

表4?2 PCIe數(shù)據(jù)測試數(shù)據(jù)