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PCIe 均衡技術(shù)介紹(電氣物理篇)_pcie preset

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引言

??近期學(xué)習(xí)了 PCIe 均衡相關(guān)東西,查閱了不計(jì)其數(shù)的文檔。得閑,整理一下,供個(gè)人隨時(shí)查閱,亦供他人參考。PCIe 均衡系列文章分為 3 篇:

  1. PCIe 均衡技術(shù)介紹(概要) ,簡(jiǎn)單介紹均衡的概念、信號(hào)補(bǔ)償技術(shù)及均衡系數(shù)協(xié)商的過程,初步了解 PCIe 均衡可閱讀此篇。
  2. PCIe 均衡技術(shù)介紹(電氣物理篇) ,從電氣物理層面介紹均衡器相關(guān)技術(shù)細(xì)節(jié)及均衡參數(shù)測(cè)量評(píng)估方法,想要深究 PCIe 均衡底層原理可閱讀此篇。
  3. PCIe 均衡技術(shù)介紹(邏輯物理篇),從邏輯物理層面介紹均衡系數(shù)協(xié)商的過程及均衡相關(guān)的各項(xiàng)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),想要深入學(xué)習(xí) PCIe 均衡系數(shù)協(xié)商過程可參考此篇。

??本系列已包含 PCIe 2.5 GT/s、5 GT/s、8 GT/s、16 GT/s、32 GT/s 相關(guān)均衡介紹,尚未整理 64 GT/s 相關(guān)均衡的介紹,也未整理接收端壓力眼圖測(cè)試部分。整理者技術(shù)水平及在本文上的精力投入有限,本文可想而知存在諸多紕漏,望讀者朋友們看到后能夠指出,感謝!

??點(diǎn)擊獲取完整 pdf 文檔 ?? https://mp.weixin.qq.com/s/8RmTb-gsLntUllteeKE6-g



文章目錄

  • 引言
  • 1. PCIe 均衡技術(shù)介紹(概要)
  • 2. PCIe 均衡技術(shù)介紹(電氣物理篇)
    • 2.1 發(fā)送端均衡
      • 2.1.1 預(yù)加重
      • 2.1.2 去加重
        • 2.1.2.1 去加重的優(yōu)點(diǎn)
        • 2.1.2.2 去加重規(guī)則
      • 2.1.3 三抽頭 FIR 濾波器(均衡器)
        • 2.1.3.1 三抽頭 FIR 結(jié)構(gòu)
        • 2.1.3.2 四種電平,De-emphasis, Pre-shoot 及 Boost
        • 2.1.3.3 FIR 系數(shù)
          • 2.1.3.3.1 FIR 系數(shù)約束
          • 2.1.3.3.2 FIR 系數(shù) Preset
          • 2.1.3.3.3 FIR 系數(shù)范圍、Tolerance 及三角矩陣
    • 2.2 接收端均衡
      • 2.2.1 CTLE
      • 2.2.2 DFE
    • 2.3 不同速率均衡方案選擇
      • 2.3.1 速率 2.5 GT/s 均衡
      • 2.3.2 速率 5 GT/s 均衡
      • 2.3.3 速率 8 GT/s、16 GT/s、32 GT/s 均衡
    • 2.4 均衡參數(shù)測(cè)量及評(píng)估
      • 2.4.1 速率 2.5 及 5 GT/s Tx EQ 參數(shù)測(cè)量
        • 2.4.1.1 EQ 電壓測(cè)量
        • 2.4.1.2 V~TX-DIFF-PP~ 測(cè)量
      • 2.4.2 速率 8 GT/s, 16 GT/s 及 32 GT/s Tx EQ 參數(shù)測(cè)量
        • 2.4.2.1 Vb 測(cè)量
        • 2.4.2.2 Va、Vc 測(cè)量
        • 2.4.2.3 V~TX-DIFF-PP~ 測(cè)量
  • 3. PCIe 均衡技術(shù)介紹(邏輯物理篇)
  • 參考

1. PCIe 均衡技術(shù)介紹(概要)


鏈接: PCIe 均衡技術(shù)介紹(概要)


2. PCIe 均衡技術(shù)介紹(電氣物理篇)


??如前文所說(shuō),信號(hào)補(bǔ)償?shù)奈恢每梢晕挥诎l(fā)送端、傳輸鏈路及接收端。對(duì)于 PCIe IP 設(shè)計(jì)者而言,更關(guān)注發(fā)送端及接收端均衡。我們并不想過多依賴于板級(jí)的均衡電路設(shè)計(jì),我們自己在發(fā)送端及接收端 PCIe 內(nèi)部就把均衡做好。

??如前面所說(shuō),為了對(duì)抗高頻信號(hào)的衰減和干擾,各種方法如去加重(De-emphasis)和Pre-shoot 技術(shù),以及各種 EQ 被引入傳輸協(xié)議。去加重(De-emphasis)和 Pre-shoot 是為了對(duì)抗碼間干擾的。


2.1 發(fā)送端均衡

??發(fā)送端均衡采用前向反饋均衡器(Feed forward Equalizer,F(xiàn)FE),可分為預(yù)加重和去加重,兩者方法類似。


2.1.1 預(yù)加重

??PCIe 高速串行信號(hào)經(jīng)信道從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩撕?,其高頻分量比低頻分量衰減要大,而高頻分量主要集中在信號(hào)的上升沿及下降沿。為了補(bǔ)償這種高頻衰減,在信號(hào)發(fā)送的時(shí)候,有意增強(qiáng)信號(hào)跳變沿的信號(hào)幅度,增高高頻分量,即信號(hào)預(yù)加重。

??由于預(yù)加重與去加重及其相似,且行業(yè)中大多采用去加重的發(fā)送端方案,此處不做過多介紹,詳情可參考去加重。


2.1.2 去加重

??相比于預(yù)加重的方案,去加重則是降低跳變沿之外的信號(hào)幅度,削弱低頻分量,同樣能夠達(dá)到目的。


2.1.2.1 去加重的優(yōu)點(diǎn)

??隨著傳輸速率的提升,碼間干擾越來(lái)越大。由于電容持續(xù)充電,當(dāng)一比特信號(hào)連續(xù)重復(fù)多次時(shí),電壓越壘越高越接近目標(biāo)電平。當(dāng)下一比特需要切換極性時(shí),很難在單個(gè) UI 內(nèi)降到指定電平,甚至切換后的信號(hào)電平仍處于切換前信號(hào)電平的判別區(qū)間,從而造成接收端誤判。

▲ 圖 3: 去加重前后對(duì)比圖

2.1.2.2 去加重規(guī)則

??對(duì)于信號(hào)中連續(xù)重復(fù)的比特流,從第 2 比特開始,降低發(fā)送信號(hào)的幅值及功率,可以提升信號(hào)質(zhì)量。采用去加重的方式,在提升信號(hào)質(zhì)量的同時(shí),還能夠降低發(fā)送功率,有點(diǎn)反直覺。去加重可以看作是二抽頭的發(fā)送端均衡器,其規(guī)則如下:

  1. 信號(hào)發(fā)生跳變后,第一比特不做去加重。
  2. 若當(dāng)前比特與前一比特相同,進(jìn)行去加重。
  3. Beacon 信號(hào)也需要做去加重,但規(guī)則稍有不同,此處不作展開。

▲ 圖 4: 去加重規(guī)則示意圖

2.1.3 三抽頭 FIR 濾波器(均衡器)

??當(dāng)前發(fā)送出去的信號(hào)比特,經(jīng)信道傳輸?shù)竭_(dá)接收端后會(huì)被展寬,對(duì)相鄰信號(hào)比特造成影響。為了減少這種影響,8 GT/s 及以上速率時(shí)候,發(fā)送端采用一種三抽頭的有限脈沖響應(yīng)濾波器(Finite Impulse Response, FIR)作為發(fā)送信號(hào)均衡器,在發(fā)送當(dāng)前比特的時(shí)候就把 ISI 考慮進(jìn)去并進(jìn)行抑制。


2.1.3.1 三抽頭 FIR 結(jié)構(gòu)

??三抽頭 FIR 均衡器原理圖如圖 5 所示,該均衡器有三個(gè)輸入,分別為當(dāng)前發(fā)送比特、前一比特及后一比特,這三比特信號(hào)按照一定權(quán)重相加后作為輸出。表示為:
V o u t ( n ) = C ? 1 V i n ( n ? 1 ) + C 0 V i n ( n ) + C + 1 V i n ( n + 1 ) V_{out}(n)=C_{-1}V_{in}(n-1)+C_{0}V_{in}(n)+C_{+1}V_{in}(n+1) Vout?(n)=C?1?Vin?(n?1)+C0?Vin?(n)+C+1?Vin?(n+1)
??其中,下一比特、當(dāng)前比特及前一比特的權(quán)重系數(shù) C-1、C0、C+1分別稱為 FIR 方程的 Pre-cursor、Cusor 及 Post-cursor 系數(shù)。Pre-cursor 又稱 Pre-shoot 系數(shù),Post-cursor 又稱去加重系數(shù)。收發(fā)端在均衡過程中調(diào)整這三個(gè)系數(shù)的值,來(lái)獲得最佳傳輸性能。Pre-cursor、Cusor 及 Post-cursor 系數(shù)滿足如下規(guī)則:
∣ C ? 1 ∣ + ∣ C 0 ∣ + ∣ C + 1 ∣ = 1 ,    C ? 1 ≤ 0 ,    C 0 > 0 ,    C + 1 ≤ 0 |C_{-1}|+|C_{0}|+|C_{+1}|=1,\ \ C_{-1}\leq0,\ \ C_{0}>0,\ \ C_{+1}\leq0 C?1?+C0?+C+1?=1,  C?1?0,  C0?>0,  C+1?0

??通常,三個(gè)參數(shù)只需指定 Pre-cursor 及 Post-cursor ,Cursor 可以根據(jù)上式計(jì)算得出。

▲ 圖 5: 發(fā)送端三抽頭均衡器

??采用如上三抽頭均衡器對(duì)發(fā)送信號(hào)進(jìn)行均衡前后效果圖如圖 6 所示。

▲ 圖 6: FIR 均衡效果圖
圖中 Pre-cursor、Post-cursor 位置存疑,到底誰(shuí)先發(fā)出去的?畫反了吧!

2.1.3.2 四種電平,De-emphasis, Pre-shoot 及 Boost

??采用以上三抽頭 FIR 均衡器時(shí),對(duì)于某比特信號(hào)而言,其前后兩比特有 4 種不同的組合形式,這也意味著該比特輸出電平有 4 種可能。如圖 7 所示。

▲ 圖 7: 三抽頭均衡器的四種輸出電平

??舉個(gè) Preset P8 的例子:當(dāng)前比特為 1 ,C+1=-0.2,C0=0.7,C-1=-0.1,

  1. 連續(xù) 3 比特為 011,輸出電壓為 -C+1+C0+C-1=0.8,對(duì)應(yīng)圖中 Va,稱為 Normal 電平 。
  2. 連續(xù) 3 比特為 111,輸出電壓為 C+1+C0+C-1=0.4,對(duì)應(yīng)圖中 Vb,稱為 De-emphasized 電平 。
  3. 連續(xù) 3 比特為 110,輸出電壓為 C+1+C0-C-1=0.6,對(duì)應(yīng)圖中 Vc,稱為 Pre-shoot 電平 。
  4. 連續(xù) 3 比特為 010,輸出電壓為 -C+1+C0-C-1=1.0,對(duì)應(yīng)圖中 Vd,稱為 Maximum-height 電平 。

??根據(jù)以上四種電平,可計(jì)算出去加重、Pre-shoot及 Boost 幅度,表示為:

D e ? e m p h a s i s = 20 log ? 10 V b / V a De-emphasis=20 \log_{10}{V_/V_{a}} De?emphasis=20log10?Vb?/Va?
P r e s h o o t = 20 log ? 10 V c / V b Preshoot=20 \log_{10}{V_{c}/V_} Preshoot=20log10?Vc?/Vb?
B o o s t = 20 log ? 10 V d / V b Boost=20 \log_{10}{V_fbwnfa5u/V_} Boost=20log10?Vd?/Vb?

??當(dāng)然,通過設(shè)置 C+1、C-1 為 0 可以關(guān)閉 De-emphasis Pre-shoot :若不考慮前一比特的影響,則設(shè)置 C+1為 0,則關(guān)閉了去加重;若不考慮后一比特的影響,則設(shè)置 C-1為 0,關(guān)閉 Pre-shoot。


2.1.3.3 FIR 系數(shù)

2.1.3.3.1 FIR 系數(shù)約束

??在設(shè)置這三個(gè)系數(shù)時(shí)要注意,Tx 輸出電壓 Vout(n) 應(yīng)控制在 Full-swing 電壓范圍內(nèi),小于等于發(fā)送端可產(chǎn)生的最大電壓擺幅 FS(Full Swing),且大于等于發(fā)送端可產(chǎn)生的最低差分電壓 LF(Low Frequency)。

??對(duì)于 PCIe 而言,在均衡 Phase 1 階段 Tx 給對(duì)端發(fā)送帶有 FS 及 LF 的 EQ TS。TS 中的 FS 和 LF 字段有 6 bit,可選范圍為 0~63。在 Phase 2/3,收發(fā)端交換 6 bit 的 C-1、C0 及 C+1(TS 中 C-1、C+1 省略了負(fù)號(hào))。在本小節(jié)以下的討論過程中,F(xiàn)S、LF、C-1、C0及 C+1 的都是指 TS 中相應(yīng)字段的值,其滿足如下約束:

  1. FS=|C-1|+C0+|C+1|,系數(shù)的絕對(duì)值之和決定了 FS 值,Tx FS 范圍應(yīng)滿足如下約束:
    a. Full Swing 模式時(shí),F(xiàn)S∈{23, …, 63};
    b. Reduced Swing 模式時(shí),F(xiàn)S∈{12, …, 63}。
  2. C0 -|C-1|-|C+1| = LF 時(shí),Tx 需確保滿足 VTX-EIEOS-FS 及 VTX-EIEOS-RS的電氣要求。
  3. 在向鏈路對(duì)端 Tx 請(qǐng)求一組系數(shù)之前需滿足以下規(guī)則。在收到更新 Tx 系數(shù)的請(qǐng)求后,只有在滿足以下條件時(shí)才能接受,否則拒絕接受。
    a. |C-1| ≤ Floor (FS/4)
    b. |C-1|+C0+|C+1| = FS (不允許峰值功率進(jìn)行適應(yīng)性變動(dòng))
    c. C0 -|C-1|-|C+1| ≥ LF

2.1.3.3.2 FIR 系數(shù) Preset

??為實(shí)現(xiàn)粗粒度的 Tx EQ 參數(shù)控制,PCIe 協(xié)議定義了 11 組 FIR 均衡器 Preset 值,編號(hào)為 P0~P11。在收發(fā)端均衡之初交換 Preset 編號(hào)即交換了一組 FIR 均衡器的系數(shù)。各組 Preset 的編碼、Pre-shoot、De-emphasis、Pre/Post-cursor 、Tolerance 及各種電平比率如表 1 所示。

▼ 表 1: Tx Preset Encoding, Ratios and Corresponding Coefficient Values
EncodingPreset #Pre-shoot (dB)De-emphasis (dB)C-1C+1Va/VdVb/VdVc/Vd
0000bP00.0-6.0 ± 1.5 dB0.000-0.2501.0000.5000.500
0001bP10.0-3.5 ± 1 dB0.000-0.1671.0000.6680.668
0010bP20.0-4.4 ± 1.5 dB0.000-0.2001.0000.6000.600
0011bP30.0-2.5±1dB0.000-0.1251.0000.7500.750
0100bP40.00.00.0000.0001.0001.0001.000
0101bP51.9 ± 1 dB0.0-0.1000.0000.8000.8001.000
0110bP62.5 ± 1 dB0.0-0.1250.0000.7500.7501.000
0111bP73.5 ± 1 dB-6.0 ± 1.5 dB-0.100-0.2000.8000.4000.600
1000bP83.5 ± 1 dB-3.5 ± 1 dB-0.125-0.1250.7500.5000.750
1001bP93.5 ± 1 dB0.0-0.1660.0000.6680.6681.000
1010bP100.0不定0.000不定1.000不定不定
1011b~1111bReserved

??在 8 GT/s、16 GT/s、32 GT/s 速率下,若采用 Reduced-swing 信號(hào)必須實(shí)現(xiàn) P4, P1, P9, P5, P6, P3 Preset;若采用 Full-swing 信號(hào),必須實(shí)現(xiàn) P0~P10 所有 Preset。

??以上 11 組 Preset 中,P1 用于測(cè)試 Reduce-swing 的 Tx Boost Limit。P10 的 C+1為不定值,通過逐漸加大 C+1,可測(cè)得 Full-swing 的 Tx Boost Limit(Tx De-emphasis Limit 與 Boost Limit 符號(hào)相反)。

??從表 1 也能看出,Preset 是依據(jù) FIR 四種電平 Va~Vd 的電壓比率進(jìn)行定義的,這些電壓與 Pre-cursor、Post-cursor 息息相關(guān)。Pre-cursor (Vc) 是指 Pre-shoot,Post-cursor (Vb) 是指去加重。Preset 中,Pre-shoot 與去加重相互獨(dú)立,所以僅有去加重的 2.5 GT/s 和 5.0 GT/s Tx EQ 同樣適用于該表,且表中的 Tolerance 同樣適用于 2.5 GT/s 及 5 GT/s 去加重。當(dāng) C+1和 C-1均不為零時(shí),Va 無(wú)法達(dá)到最大擺幅 Vd。


2.1.3.3.3 FIR 系數(shù)范圍、Tolerance 及三角矩陣

??8 GT/s、16 GT/s、32 GT/s 速率時(shí),Tx 需要將其 FIR 系數(shù)范圍及 Tolerance 告知對(duì)端 Rx。FIR 系數(shù)范圍及 Tolerance 滿足如下約束:

  1. 所有 Tx 必須滿足 Full-swing 信號(hào) VTX-EIEOS-FS限制。
  2. Tx 可以選擇性地支持 Reduced-swing,支持 Reduced-swing 的話,必須滿足 VTX-EIEOS-RS限制。
  3. 系數(shù)必須滿足 Boost 和精度(VTX-Boost-FS、VTX-Boost-RS、EQTXCOEFF-RES)限制。

??當(dāng)以上約束均滿足時(shí),F(xiàn)IR 系數(shù)空間可以映射到一個(gè)三角矩陣上。一個(gè)粒度為 1/24 的 FIR 系數(shù)三角矩陣如圖 8 所示。

??該矩陣中,去加重系數(shù)(C+1)映射到 X 軸,Pre-shoot 系數(shù)(C-1)映射到 Y 軸。矩陣中每個(gè)單元格由 3 個(gè)元素組成:Preset(左上)、De-emphasis(右上) 及 Boost(下中),每個(gè)單元格都代表了一種有效的 Pre-shoot 、去加重、Boost 系數(shù)組合。對(duì)角線元素(8/24-8/24)為最大 Boost 比率(9.5 dB),這條線右側(cè)的系數(shù),Boost 超過了 9.5 dB,這些參數(shù)不能使用,為空白單元格。Full-swing 需實(shí)現(xiàn)所有藍(lán)色及橙色單元格,Reduced-swing 必須實(shí)現(xiàn)藍(lán)色單元格。

▲ 圖 8: Transmit Equalization Coefficient Space Triangular Matrix Example

2.2 接收端均衡

??雖然采用發(fā)送端均衡能夠在一定程度上改善信號(hào)質(zhì)量,但信號(hào)經(jīng)過長(zhǎng)距離傳輸后,信號(hào)仍有可能失真嚴(yán)重,接收端接收到的信號(hào)眼圖閉合難以識(shí)別。為此,可以在接收端對(duì)接收到的進(jìn)行進(jìn)行再次均衡。接收端均衡器有一階連續(xù)時(shí)間線性均衡器(Continuous-Time Linear Equalizaion, CTLE)和判決反饋均衡器(Decision Feedback Equalization,DFE)。


2.2.1 CTLE

??無(wú)源傳輸線路像是一個(gè)低通濾波器,PCIe 高速串行信號(hào)經(jīng)信道從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩撕?,其低頻分量衰減比高頻分量小,從而造成信號(hào)失真。為了恢復(fù)信號(hào),在接收端采用高通濾波器來(lái)抑制低頻分量,來(lái)補(bǔ)償失真的波形。CTLE 均衡器是一個(gè)簡(jiǎn)單的 RC 網(wǎng)絡(luò)電路,相當(dāng)于無(wú)源高通濾波器,其結(jié)構(gòu)圖如圖 9 所示。采用 CTLE 均衡效果如圖 10 所示,可見 CTLE 均衡后低頻分量被抑制,抑制后的高頻分量與低頻分量幅值區(qū)別縮小。

??CTLE 是利用連續(xù)的信號(hào)曲線,減緩低頻部分,用來(lái)補(bǔ)償高頻部分。因?yàn)楦哳l部分損耗較大,所謂削峰填谷。它有個(gè)缺點(diǎn)是會(huì)放大高頻噪聲。

▲ 圖 9: CTLE 均衡器結(jié)構(gòu)

▲ 圖 10: CTLE 均衡效果圖

??離散時(shí)間線性均衡器(Discrete Time Linear Equalizer, DLE)也能實(shí)現(xiàn)與 CTLE 相同的功能,其原理圖如圖 11 所示??紤]到 DLE 入口處有個(gè)采樣保持電路(S&H),該電路顯然比 CTLE 要復(fù)雜,功耗也比 CTLE 高,一般不用 DLE。

▲ 圖 11: DLE 均衡器結(jié)構(gòu)

2.2.2 DFE

??DFE 位于線性均衡器之后,將判決后的信號(hào)進(jìn)行反饋,與接收信號(hào)按照一定權(quán)重累加后輸出,適用于眼圖張開的情況。DFE 抽頭數(shù)越多,對(duì)噪聲抑制能力越強(qiáng)。單抽頭和雙抽頭 DFE 均衡器結(jié)構(gòu)分別如圖 12, 13 所示。

??DFE 也是一種反饋均衡器,是用上次信道的輸出經(jīng)過判斷后加權(quán)反饋到輸入上。它不會(huì)放大高頻噪聲,但是只能處理碼后干擾,不能消除碼前干擾,且設(shè)計(jì)復(fù)雜和耗電。

▲ 圖 12: 單抽頭 DFE 均衡器結(jié)構(gòu)

▲ 圖 13: 雙抽頭 DFE 均衡器結(jié)構(gòu)

??DFE 可以采用固定系數(shù),在不影響 PCIe 正常功能的前提下,也可以在 Recovery.Equalization 階段,通過 DSP 給 USP 發(fā)送攜帶有 Receiver Preset Hints 的 EQ TS1,對(duì) DFE 系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。目前,Receiver Preset Hints 僅用于 8 GT/s,TS 中 Rx Preset Hints 編碼如表 2 所示。

▼ 表 2: Rx Preset Hints
Encoding000b001b010b011b100b101b110b111b
Rx Preset Value-6 dB-7 dB-8 dB-9 dB-10 dB-11 dB-12 dBReserved

2.3 不同速率均衡方案選擇

2.3.1 速率 2.5 GT/s 均衡

??2.5 GT/s 時(shí),信號(hào)速率相對(duì)較低,在 發(fā)送端采用信號(hào)去加重即可實(shí)現(xiàn)較好質(zhì)量的信號(hào)傳輸。2.5 GT/s 時(shí)的信號(hào)功率去加重程度為 -3.5 dB,信號(hào)大約在原幅值上削減了 1/3。

??若信號(hào)失真很小,仍然采用去加重進(jìn)行均衡,會(huì)使得本來(lái)質(zhì)量很好的信號(hào)發(fā)生失真,適得其反。此時(shí),可以降低去加重程度,或則干脆去掉去加重。


2.3.2 速率 5 GT/s 均衡

??發(fā)送速率增加到 5 GT/s 后,ISI 比 2.5 GT/s 更加嚴(yán)重。此時(shí),仍然可以采用 2.5 GT/s 時(shí) -3.5 dB 去加重技術(shù)進(jìn)行均衡,但是建議增加去加重程度為 -6 dB。采用 -6 dB 去加重,去加重后的信號(hào)電平降為原電平的 50% 左右。

▲ 圖 14: 2.5 GT/s 及 5 GT/s 時(shí)的去加重幅度示意圖

??通常來(lái)講,發(fā)送端工作在 Full-Swing 模式下,這樣信號(hào)擺幅較大,可以補(bǔ)償信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中的衰減。對(duì)于傳輸距離較短或其他信號(hào)衰減較小的情況,也可以采用 Reduced-Swing 模式,以降低功耗。

??跟 2.5 GT/s 時(shí)一樣,當(dāng)傳輸鏈路條件很好時(shí),5 GT/s 時(shí)也可以選擇關(guān)閉去加重。

▲ 圖 15: 不同傳輸距離下 Full Swing, Reduced Swing 收發(fā)信號(hào)幅度比對(duì)

2.3.3 速率 8 GT/s、16 GT/s、32 GT/s 均衡

??如前文所述,2.5 GT/s 及 5 GT/s 速率下采用去加重均衡來(lái)保證鏈路質(zhì)量。在選擇去加重方案的時(shí)候,收發(fā)端之間沒有一個(gè)互相溝通的過程,多是基于假設(shè)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,或者基于前期測(cè)試結(jié)果再人工調(diào)整去加重參數(shù)。

??數(shù)據(jù)速率上升到 8 GT/s 及以上后,信號(hào)傳輸面臨的信號(hào)完整性問題更加突出,采用傳統(tǒng)的去加重?zé)o法滿足高質(zhì)量的信號(hào)傳輸。8 GT/s 時(shí),發(fā)送端的均衡采用基于 FIR 有限脈沖響應(yīng)濾波器,接收端均衡采用了 CTLE 和 DFE 兩種均衡。發(fā)送端及接收端動(dòng)態(tài)協(xié)商均衡器參數(shù),以獲取質(zhì)量相對(duì)最優(yōu)的信號(hào)。

??8 GT/s、16 GT/s、32 GT/s時(shí)的 Tx 必須實(shí)現(xiàn)基于 FIR 系數(shù)的 EQ 模式,以實(shí)現(xiàn)對(duì) Tx EQ 的精細(xì)控制。此外,Tx 必須支持指定數(shù)目的 Preset,以滿足 Tx EQ 的粗粒度控制。8 GT/s、16 GT/s 及 32 GT/s 時(shí),所以 Tx 必須支持 EQ,但其 Rx 可以選擇性地響應(yīng) Tx EQ 請(qǐng)求。


2.4 均衡參數(shù)測(cè)量及評(píng)估

??測(cè)量 Tx 均衡時(shí),需要測(cè)量的參數(shù)有 EQ 系數(shù)、EQ Preset 及 最小最大電壓擺幅等電壓參數(shù)。


2.4.1 速率 2.5 及 5 GT/s Tx EQ 參數(shù)測(cè)量

2.4.1.1 EQ 電壓測(cè)量

??2.5 GT/s 及 5 GT/s 時(shí)的 Tx EQ 僅包含去加重,去加重程度可通過測(cè)量 500 個(gè) Compliance Pattern 0.5UI 處的平均值獲得。


2.4.1.2 VTX-DIFF-PP 測(cè)量

??VTX-DIFF-PP是發(fā)送端差分電壓峰峰值,在 Reduced-swing 模式下為 VTX-DIFF-LOW,兩者測(cè)量方法相同。2.5 GT/s 及 5 GT/s 時(shí)的 VTX-DIFF-PP (VTX-DIFF-PP-LOW @ Reduced-swing) 通過測(cè)量 500 個(gè) Compliance Pattern 0.5UI 處的平均眼高獲得。


2.4.2 速率 8 GT/s, 16 GT/s 及 32 GT/s Tx EQ 參數(shù)測(cè)量

??8 GT/s、16 GT/s、32 GT/s 速率時(shí),PCIe 高頻信號(hào)的自身特性使得難以測(cè)量單 UI 脈沖高度。此時(shí),Tx 電壓擺幅及 EQ Preset 可通過 Compliance Pattern 中的低頻 Pattern 測(cè)得。低頻 Pattern 由重復(fù)的 64 個(gè)連 0 及 64 個(gè)連 1 組成,這種 Pattern 下 ISI 大大減小,且信號(hào)接近穩(wěn)定狀態(tài),因此能夠較為精確地測(cè)得各種情況下的電壓幅度。


2.4.2.1 Vb 測(cè)量

??下圖是采用 64-zeros/64-ones 序列的 Compliance Pattern 測(cè)量 Preset 的示意圖。鑒于 Preset 依賴于去加重和/或Pre-shoot,觀測(cè)波形是不同的。下面兩幅圖分別展示了依賴于去加重的 Preset 測(cè)量波形(圖 16)及依賴于 Pre-shoot 的 Preset 的測(cè)量波形(圖 17),兩者的區(qū)別在于 EQ 發(fā)生的位置:去加重發(fā)生在跳轉(zhuǎn)之前,Pre-shoot 發(fā)生在跳轉(zhuǎn)之后。對(duì)于兼具去加重和 Pre-shoot 的均衡,在跳轉(zhuǎn)之前及之后均會(huì)發(fā)生 Boost。以上所有情況下,我們感興趣的電壓都發(fā)生與波形較為平坦的位置 vb,在 vb 處可以消除高頻干擾、較為準(zhǔn)確地測(cè)量電壓。測(cè)量位置一般選在 64 個(gè)連 0 或連 1 的第 57~62 個(gè) UI 處,測(cè)量連續(xù) 500 個(gè)序列取均值作為最終結(jié)果。

▲ 圖 16: 依賴于去加重的 Preset 測(cè)量波形

▲ 圖 17: 依賴于 Pre-shoot 的測(cè)量波形

2.4.2.2 Va、Vc 測(cè)量

??8 GT/s、16 GT/s、32 GT/s 速率時(shí),由于波形中 Va、Vc 的測(cè)量區(qū)間只有 1 UI 寬,加之受到封裝及突發(fā)信道的衰減,很難難以直接測(cè)量 Va 及 Vc。P4 Preset 是一種特殊情況,其 Pre-shoot 及去加重均為 0 dB,可以通過將 DUT 設(shè)置為不同的 Preset,通過測(cè)量不同 Preset 下的 Vb 來(lái)間接測(cè)量 Va 及 Vc。

??表 3 列出了測(cè)量每個(gè) Va 和 Vc 值所需的 Preset 值,其 Pre-shoot 或去加重的值可以從指定 Preset 的 Vb 值的比率中得出。比如,要測(cè)量 P1 的 De-emphasis,可以測(cè)量 Preset 為 P1 及 P4 時(shí)的 Vb,則 P1 的 De-emphasis 可表示為 20 log10(Vb(P1)/Vb(P4)),其他以此類推。

▼ 表 3: Preset Measurement Cross Reference Table
Preset NumberDe-emphasis (dB)20 log10(Vb(i)/Vb(j))Pre-shoot (dB)20 log10(Vb(i)/Vb(j))
P4N/A*N/A
P1P1/P4N/A
P0P0/P4N/A
P9N/AP4/P9
P8P8/P6P3/P8
P7P7/P5P2/P7
P5N/AP4/P5
P6N/AP4/P6
P3P3/P4N/A
P2P2/P4N/A
P10P10/P4N/A

注:N/A 表示該 Preset 下該項(xiàng)無(wú)需測(cè)量,為 0。


2.4.2.3 VTX-DIFF-PP 測(cè)量

??沒有 EQ 時(shí)的 Tx 輸出電壓擺動(dòng) Vd 范圍定義為 VTX-DIFF-PP,Reduced-swing 時(shí)稱為 VTX-DIFF-PP-LOW,可以通過將 C-1及 C+1設(shè)置為 0 來(lái)測(cè)量 Compliance Pattern 的峰峰電壓來(lái)得知。為最大程度減少低頻信號(hào)在 Package 上的衰減,建議在芯片 Die 的 Pad 上直接測(cè)量信號(hào)。

??如下圖所示,在 Compliance Pattern 半周期的最后幾個(gè) UI (57~62 UI)測(cè)量電壓信號(hào),可以最大限度地減少 ISI 和開關(guān)效應(yīng)。取連續(xù) 500 個(gè) Patten 上的測(cè)量結(jié)果平均值最為最終結(jié)果,以抑制高頻噪聲。

▲ 圖 18: V~TX-DIFF-PP~ 及 V~TX-DIFF-PP-LOW~ 測(cè)量

3. PCIe 均衡技術(shù)介紹(邏輯物理篇)


鏈接:PCIe 均衡技術(shù)介紹(邏輯物理篇)


參考


  1. PCI ExPress Base Spec 5.0, Chapter 4.2.3, Chapter 4.2.6.4.2, Chapter 8.3.3, …
  2. PCIe Express Technology, Mindshare Inc, Chapter 13
  3. SNPS PHY databook,chapter 5.11
  4. 芯片中的數(shù)學(xué)——均衡器EQ和它在高速外部總線中的應(yīng)用
  5. pcie equalization學(xué)習(xí)筆記
  6. PCIE 3.0中使用的動(dòng)態(tài)均衡概念
  7. 理論篇|如何實(shí)現(xiàn)PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測(cè)試?
  8. 實(shí)踐篇|如何實(shí)現(xiàn)PCIe Gen3/Gen4接收端鏈路均衡測(cè)試?)
  9. PCIe Electrical PHY(2)-SerDes中的均衡技術(shù)


— END —

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