Guide du test de Conformité PCI Express PCI 1.0a, PCI 1.1, PCI 2.0, Expresscard 1.0

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1 Guide du test de Conformité PCI Express PCI 1.0a, PCI 1.1, PCI 2.0, Expresscard 1.0 La Norme PCI EXPRESS est la propriété du Comité PCI-SIG Pour toute information technique ou commerciale complémentaire : Cliquer ici Chaque élément en bleu souligné est un lien internet pour accéder à plus d information Agilent est engagé à très haut niveau avec le PCI-SIG afin de pouvoir offrir les méthodologies de test les plus fiables et répétables pour la caractérisation et la certification des périphériques PCI Express Rick Eads est le responsable application PCI Express chez Agilent Technologies Rick EADS siège en tant que directeur au comité PCI-SIG depuis plusieurs années. Agilent se donne pour mission de disposer des moyens de tests pour les nouvelles technologies dès les premiers composants disponibles et de suivre les évolutions des normes de très près pour que les moyens de tests soient toujours à jours par rapport aux révisions de norme adoptées par le comité directeur. Assurer l interopérabilité de tous les équipements PCI Express Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 1

2 Afin d assurer un fonctionnement correct de tous les équipements disposant d une interface PCI Express, le Comité PCI-SIG impose une certification rigoureuse pour l obtention du Logo PCI EXPRESS. Les tests à effectuer dépendent de la classe d équipement PCI Express à tester. Cette note d application à pour objet le débogage, la caractérisation, et la certification de la couche physique PCI EXPRESS. Le décodage des Paquets est également abordé. La caractérisation du transmetteur PCI Express s effectue à l aide d un Oscilloscope Temps réel (tel que le DSA91304A). La caractérisation complète d un récepteur PCI Express nécessite également l utilisation d un testeur de taux d erreur binaire offrant des capacités d insertion de Jitter, d ISI et de pré-accentuation tel que le N4903B Synoptique simplifié d un Lien PCI Express Un lien PCI Express est une liaison série point à point permettant de remplacer les Bus PCI parallèle utilisé historiquement dans les PC. Les Liaison PCI Express offrirent des performances supplémentaires tout en simplifiant la conception des cartes mères. La couche Physique d un canal PCI EXPRESS comporte de chaque coté de la liaison, un émetteur et un récepteur. Contrairement à L USB 2.0 de type HALF-DUPLEX ou la liaison ne comporte qu une paire différentielle (cf ), chaque Canal PCI EXPRESS est composé de deux paires différentielles. Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 2

3 Les deux paires différentielles d un canal PCI Express offrent simultanément un lien SIMPLEX Montant et un lien SIMPLEX Descendant et donc une communication de Type FULL-DUPLEX. Une troisième paire différentielle fournie au récepteur une Horloge de référence de 100MHz, utilisée par PLL du récepteur pour dé-sérialiser les données de chaque canal PCI Express. La norme PCI Express prenant en charge jusqu à 32 canaux simultanément, la bande-passante maximum théorique pour une Laison PCI Express 2.5Gb/s sur 32 canaux est de 8GB/s Notez que PCI Express ne se limite pas aux implémentations carte mère/carte fille, mais peut être utilisé comme système d interconnexion entre deux composants au sein d un même PCB, ou comme d 'interface entre deux équipements via un câble. Les Liaison PCI Express Gen1 fonctionne à un débit de 2,5 Gbs, 5Gbs en Gen2 et 8Gb/s en Gen3, Les versions 2.5Gb/s et 5Gb/s utilisent le codage 8B/10B, l encodage 8B/10B n est pas utilisé dans la version 8Gb/s du PCI Express Gen 3 Les temps de montée et de descente du PCIE à 2.5Gb/s, 5Gb/s et 8Gb/s sont de l ordre de 100 ps à 70ps. Une Modulation d horloge à étalement de spectre appelée SSC Spread Spectrum Clocking est mise en œuvre par l intermédiaire de l horloge de référence 100 MHz. L impédance de charge est de 50 ohms en asymétrique référencé à la masse ou 100 ohms différentiel. La norme PCI Express utilise une méthode de pré-distorsion numérique (Pre-emphasis ou De-emphasys), qui augmente l amplitude des bits qui change d état par rapport au bit précédent, ceci afin de compenser les pertes hautes-fréquence du canal de transmission PCB ou câble. Ceci a pour effet d améliorer l ouverture de l œil observé au niveau du récepteur et d assurer un niveau de qualité de transmission à un taux d erreur défini pour des débits de données toujours plus rapide dans un canal de transmission à faible coût. Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 3

4 Connecteurs PCI Express Les connecteurs PCI Express sont incompatibles avec les anciens connecteurs PCI et possèdent des tailles variables et une plus faible consommation électrique. Une des caractéristiques intéressantes du bus PCI Express est la possibilité de brancher ou débrancher des composants à chaud, c'est-à-dire sans éteindre ou redémarrer la machine. Les connecteurs PCI Express sont reconnaissables grâce à leur petite taille et leur couleur anthracite : Le connecteur PCI Express 1X possède 36 connecteurs et est destiné à un usage d'entrées-sorties à haut débit : Le connecteur PCI Express 4X possède 64 connecteurs et est destiné à un usage sur serveurs : Le connecteur PCI Express 8X possède 98 connecteurs et est destiné à un usage sur serveurs : Le connecteur PCI Express 16X possède 164 connecteurs, et mesure 89 mm de long et a vocation à servir de port graphique : Le standard PCI Express a également vocation à supplanter la technologie PC Card sous la forme de connecteurs «PCI Express Mini Card». De plus, contrairement aux connecteurs PCI dont l'usage était limité à la connectique interne, le standard PCI Express permet de connecter des périphériques externes à l'aide de câbles. Pour autant il ne se positionne pas en concurrence des ports USB ou FireWire Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 4

5 Etape 2 : Quelle Configuration est requise pour la Caractérisation et les Tests de Conformité de la couche Physique d un lien PCI Express? a. La Bande-Passante Pour du PCI Express Gen 1 2.5Gb/s une bande passante de mesure de 6GHz est suffisante et validée par le comité PCI-SIG, pour le PCI Express Gen 2 5Gb/s et Gen 3 8Gb/s un modèle disposant d au moins 12.5GHz de Bande passante est préconisé par le PCI-SIG pour la validation au niveau silicium. Les Oscilloscopes DSA90604A 6GHz 20GEch/s et DSA91204A 12GHz 40GEch/s sont respectivement agréés par le PCI SIG pour les GOLDEN Test Suite des ateliers de certification PCI Express pour la validation de la couche Physique des interfaces PCI Express G1 et PCI Express G2/G3. b. Les Sondes Actives En Complément deux Sondes Actives peuvent être utilisée pour mesurer D+ et D- ou directement le signal Différentiel pour les implémentations PCI Express Chip to Chip Configuration recommandée : PCI Express Gen 1 : 2 Sondes (1134A 7GHz +E2677A) + 1 Sonde 1130A+ E2678A pour Ref Clock PCI Express Gen 2/Gen 3 : 2 Sondes (1169A+N5381A) + 1 Sonde 1130A+ E2678A pour Ref Clock Accessoirement des tête de mesure SMA 100 Ohms différentielles N5380A peuvent également être utilisées c. Les Options Logicielles Les Oscilloscopes de la Famille DSA90000A Intègrent en standard 20MPts par voie ainsi que tous les algorithmes requis pour l analyse de liens série rapides : High Speed SDA : Récupération d horloge Flexible, Diagramme de l œil, Décodage 8B/10B, Réouverture de l œil pour identification des Séquences 8B/10B corrompues EZJIT : Analyse de Jitter temps réel (Histogram, Tendence, FFT, Analyse de Jitter dans une bande de fréquence donnée, corrélation du Jitter avec un aggresseur EZJIT+ : Décomposition de Jitter sur signaux Périodiques ou arbitraires : quantification du Jitter TJ/RJ/DJ/PJ/DCD/ISI Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 5

6 Logiciel de test de conformité PCI EXPRESS GEN1/GEN2 N5393B Ce logiciel utilisé lors des ateliers officiels de certifications PCI Express organisés par le PCI-SIG couvre les tests de conformité PCI Express suivants: Tests relatifs à la caractérisation de la Référence Clock Phase jitter Rising edge rate Falling edge rate Differential input high voltage Differential input low voltage Average clock period Duty cycle Test relatifs à la caractérisation de la couche physique des liens PCI Express Transmitter tests PHY.3.1#26 DC common mode voltage PHY.3.2#1 De-emphasis on multiple bits same polarity in succession PHY.3.2#2 Transition bit voltage PHY.3.3#1 Transmitter eye diagram PHY.3.3#2 Unit interval without SSC variations PHY.3.3#3 Minimum D+/D- output rise/fall time PHY.3.3#4 Jitter median to max deviation PHY.3.3#5 Maximum RMS AC common mode voltage PHY.3.3#9 Minimum eye width Receiver tests PHY.3.4#1 Minimum receiver eye diagram PHY.3.4#2 AC peak common mode input voltage PHY.3.4#6 Jitter median to max deviation input Note: Attention les tests de Récepteurs effectués par l Oscillosocpe et le logiciel N5393B ne valident pas la tolérance de Jitter du récepteur ou sa capacité a interpréter correctement les donnée, ils valident la qualité du signal à l entrée du récepteur par rapport aux tolérances spécifiées par la norme PCI Express. Pour une caractérisation RX complète un BER type N4903B doit être utilisé. System board (connector) tests EM.4#4 Minimum jitter EM.4#20 Transmitter path eye diagram Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 6

7 Reference clock (connector) tests PHY.3.3#2 Phase jitter PHY.3.3#1 Rising edge rate PHY.3.3#1 Falling edge rate PHY.3.3#4 Differential input high voltage PHY.3.3#4 Differential input low voltage PHY.3.3#9 Average clock period PHY.3.2#2 Duty cycle Add-in card (connector) tests EM.4#13 Minimum jitter EM.4#19 Transmitter path eye diagram Le logiciel de test de Conformité PCI Express N5392B offre des résultats complètement consistant avec ceux obtenus avec le logiciel SigTest du comité PCI-SIG Un assistant logiciel vous guide dans toute la procédure, et vous n avez pas besoin de vous plonger dans le document technique des spécifications de la couche physique. Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 7

8 Mise en Œuvre du logiciel de test de conformité PCI-Express N5392B Choisissez le Standard PCI Express de votre Design, PCI 1.0a, PCI 1.1, PCI 2.0, ou Expresscard 1.0 Sélectionnez votre configuration de test Transmetteur, Récepteur, Carte Fille, Carte Système Sélectionnez le mode Full Power ou Low Power Sélectionnez si vous travaillez en horloge propre ou à étalement de spectre (SSC) Sélectionnez le Datarate 2.5Gb/s ou 5Gb/s et le niveaux de Pré-accentuation utilisé (De-emphasis) Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 8

9 Les tests relatifs à votre configurations PCI Express sont automatiquement proposés ce qui élimine les risques d erreur et augmente la fiabilité de vos rapports A chaque changement de connexion requis, le logiciel de test de conformité PCI Express N5392B vous indique clairement le diagramme de connection Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 9

10 Un rapport de test PCI Express détaillé est généré avec des indications claire de Pass/Fail, la mesure obtenue, la plage de tolérance imposée par la norme et la marge positive ou négative par rapport à la plage de tolérance Les diagrammes de l oeils PCI Express sont présenté de manière identiques à ceux du logiciel SIGTEST Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 10

11 Logiciel de Décodage PCI EXPRESS GEN1/GEN2 N5463A Ne vous contentez pas de l analyse de la couche Physique du PCI Express et du décodage 8B/10B, accédez au Décodage complet du Protocole PCI Express dans l oscilloscope Listing détaillé des transactions PCI Express exportable en fichier CSV Analyse détaillées des En-têtes, Paquets et données utile PCI Express Fonctionnalités de recherche de Paquet PCI Express Déclenchement sur recherche de Paquet PCI Express Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 11

12 Etape 3 : Comment mesurer les signaux? Afin d effectuer les mesures de test de conformités PCI Express, il faut pouvoir se placer dans les conditions de test imposée par le comité PCI-SIG Si vous développez une carte System PCI Express G1/G2, vous devez utiliser la carte PCI-Exress Compliance LOAD Board CLB2 d Intel (équipée de connecteurs SMP) Note :Pour certains tests de Composants PCI Express, vous devez concevoir une Compliance Load Board (Impédance de charge de référence Si vous développez une carte fille PCI Express G1/G2, vous devez utiliser la carte PCI Express Compliance Base Board CBB2 d Intel (équipée de connecteurs SMP) La carte PCI Express Compliance Base Board permet d alimenter votre carte fille (Alimentation de type PC requise ), elle fournie également un horloge de référence propre (Clean Reference Clock) Lorsqu une carte fille est insérée sur la CBB, elle commute automatiquement en mode d émission de la Séquence binaire de test requise pour les mesures d intégrité du signal. La CBB comporte des connecteurs Coaxiaux 50Ohms permettant la mesure de tous les canaux PCI Express G1/G2. Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 12

13 La Compliance Load Board est ici insérée dans la Compliance Base Board Les deux cartes CLB2 et CBB2 dispose d un bouton qui permet de commuter entre les modes de test 2.5Gb/s -3.5dB, 5Gb/s -3.5dB et 5Gb -6dB de de-emphasis Présentation Vidéo de mise en œuvre de la PCI Express Compliance Load Board Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 13

14 Etape 4 : Méthode de mesure des Signaux? Dans les cas de PCI Express Gen 1 2.5Gb/s et Gen 2 5Gb/s, nous avons affaire à une liaison 8B/10B associée à une horloge de référence. Une connexion direct de D+ et D- du canal PCI Express par câble coaxiaux entre la CBB/CLB et l oscilloscope est recommandée Attention, sur certains oscilloscopes présentant une impédance d entrée mal contrôlée en fréquence, des atténuateur 6dB large bande sont requis par le PSI-SIG. Lors de la mesure directe par câbles SMA 50 Ohms, deux voies de l oscilloscopes sont utilisées, la série DSO/DSA90000A dispose d une accélération matérielle pour afficher simultanément les signaux unipolaires D+ et D-, le signal différentiel associé [D+]-[D-] et le mode commun ([D+]+[D-])/2 Prévoir au moins deux paires de câbles SMP-SMA appariés en phase Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 14

15 En Alternative deux Sondes Actives peuvent être utilisée pour mesurer D+ et D- pour les implémentations PCI Express Chip to Chip Configuration recommandée : PCI Express Gen 1 : 2 Sondes 1134A 7GHz +E2677A PCI Express Gen 2/Gen 3 : 2 Sondes 1169A+N5381A En Alternative une Sondes Actives peuvent être utilisée pour mesurer D+ et D- pour les implémentations PCI Express Chip to Chip juste pour la mesure du diagramme de l œil Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 15

16 La mesure de l Horloge de référence s effectues sur un point de test type HE10 sur la CLB grâce à une sonde Infiniimax 113XA/116XA associée à une tête de mesure à connecter E2678A Une sonde différentielle 1169A associée à une tête différentielle N5380A SMA 100Ohms peut également être utilisée lors des tests différentiels Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 16

17 INFORMATIONS Complémentaires : Mesures de lien PCI Express 2.0 Chip to Chip avec Sondes Actives en étuve de -55 C à 150 C Des mesures en hautes impédance avec une sonde active différentielle 12GHz peuvent également être menées en étuves entre -55 et +150 grâce à l architecture unique des sondes Infiniimax et une paire de câble coaxiaux de 90cm appariés en phase N5450A offrant des spécifications 12GHz garanties sur 250 cycles complet de température -55 C C Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 17

18 Test de conformité en tolérance de Jitter d un récepteur PCI Express Afin d effectuer les tests de conformité PCI Express du récepteur, il est nécessaire de vérifier à courbe de tolérance de Jitter admissible par le récepteur. Un générateur de données tel que le JBERT N4903B est capable de générer des données jusqu à 13.5Gb/s, d insérer tous les type de Jitter requis par la norme PCI Express de manière automatique et calibrée. Couplé au module N4916A Il permet également d appliquer une pré-accentuation (de-emphasis) de 0dB à12db et de faire passer le signal généré dans un module interne permettant de générer des interférences inter symboles grâce à une matrice de Pistes PCB de différentes longueurs. Le signal obtenu est alors connecté à l entrée RX du lien PCI Express sous test (qui est configuré en mode loopback ) et la sortie TX du lien sous test est connectée à l entrée d analyse du N4903B. Cette entrée d analyse, comporte un module CDR Clock Data Recovery Flexible dont la bande passante est programmée pour correspondre à celle de la PLL du récepteur PCI Express. Elle contient également un comparateur qui se synchronise sur le flot de données afin d identifier les bits corrompu et calculer ainsi le taux d erreur binaire TEB (ou BER en Anglais). Le N4903B va ainsi pouvoir insérer de manière graduelle, automatique et calibrée du Jitter aux différentes fréquences imposées par la norme PCI Express, vérifier les données retournées par le composant sous test et déterminer le niveau de BER. Séminaire à la demande sur PCI Express Gen 3 Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 18

19 Les cahiers de l oscilloscope, Guide du test de conformité PCI Express 2.0 AVRIL 2010 V1.4 P a g e 19