PCIE 3.0简介及信号和协议测试方法

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1、PCIE3.0简介及信号和协议测试方法安捷伦科技（中国）有限公司：李凯一、前言PCIExpress（简称PCIE）总线是PCI总线的串行版本，其采用多对高速串行的差分信号进行高速传输，每对差分线上的信号速率可以是1代的2.5Gbps、2代的5Gbps以及现在正逐渐开始应用的3代8Gbps。PCIE标准是由PCI-SIG组织制定，自从推出以来，1代和2代标准已经在PC和Server上逐渐普及，用于支持高速显卡以及其它接口卡对于高速数据传输的要求。出于支持更高总线数据吞吐率的目的，PCI-SIG组织在2010年制定了PC

2、IE3.0，即PCIE3代的规范。目前，PCIE3.0已经开始出现在一些高端的Server上，而在普通PC上的应用也是指日可待。那么PCIE3.0总线究竟有什么特点？对于其测试有什么特殊的地方呢？我们这里就来探讨一下。二、PCIE3.0简介1、信号速率的变化首先我们看一下制定PCIE3代规范的目的，其目的主要是要在现有的FR4板材和接插件的基础上提供比PCIE2代高一倍的有效数据传输速率，同时保持和原有1代、2代设备的兼容。别看这是个简单的目的，但实现起来可不容易。我们知道，PCIE2代在每对差分线上的数据传输速率是

3、5Gbps，相对于1代提高了1倍；而3代要相对于2代把速率也提高一倍，理所当然的是把数据传输速率提高到10Gbps。但是就是这个10Gbps把PCI-SIG给难住了，因为PC和Server上出于成本的考虑，普遍使用便宜的FR4的PCB板材以及廉价的接插件，无论采用什么技术都很难保证10Gbps的信号还能在原来的信号路径上可靠地传输很远的距离（典型距离是15～30cm）。因此PCI-SIG最终决定把PCIE3代的数据传输速率定在8Gbps。但是8Gbps比着2代的5Gbps并没有高一倍，所以PCI-SIG决定在3代标准

4、中把在1代和2代中使用的8b/10b编码去掉。我们知道，在PCIE1代和2代中为了保证数据的传输密度、直流平衡以及内嵌时钟的目的，每8bit数据会编码成10bit数据传输。因此，5Gbps的实际有效数据传输速率是5Gbps×8b/10b＝4Gbps。这样，如果在PCIE3代中不使用8b/10b编码，其有效数据传输速率就能比着2代的4Gbps提高1倍。但是这样问题又来了，数据如果不经编码传输很难保证数据传输密度和直流平衡，接收端的时钟恢复电路也很容易失锁，于是PCIE3代里面采用了扰码的方法，即数据传输前先和一个多项式

5、进行异或，这样传输链路上的数据就看起来比较有随机性，到了接收端再用相同的多项式把数据恢复出来。通过上述方法，PCIE3代可以用8Gbps的传输速率实现比2代的5Gbps高1倍的数据传输速率。2、发送端的变化但是问题远没有结束，即使数据速率只有8Gbps，要在原有的廉价PCB和接插件上实现可靠传输也还要解决一些新的问题。其中最大的问题是信号的损耗，FR4板材对信号高频成分有很大衰减，而信号速率越高，其高频成分越多，所以衰减也就更厉害。下图是不同速率的信号经过10英寸的FR4板材的PCB传输以后信号的眼图，我们可以看到8

6、Gbps的信号在接收端基本上看不到眼图了，更不要说进行有效的数据接收。为了解决这个问题，在PCIE的1代和2代中使用了去加重（De-emphasis）技术，即信号的发射端（TX）在发送信号时对跳变bit（代表信号中的高频成分）加大幅度发送，这样可以部分补偿一下传输线路对高频成分的衰减，从而得到比较好的眼图。PCIE1代中采用了－3.5db的去加重，PCIE2代中采用了－3.5db和－6db的去加重，而对于3代来说，由于信号速率更高，需要采用更加复杂的2阶去加重技术。即除了跳变bit增大幅度发送（De-emphasis

7、）以外，在跳变bit的前1个bit也要增大幅度发送，这个增大的幅度通常叫做Preshoot。为了应对复杂的链路环境，PCIE3代中规定了共11种不同的Preshoot和De-emphasis的组合（Preset），实际应用中Tx和Rx端可以在LinkTraining阶段协商出一个最优的Preset值。3、接收端的变化那做了这些工作就够了吗？经过实验发现，仅仅在发送端对信号高频进行补偿还是不够，如是PCIE3代标准中又规定在接收端（RX端）还要对信号做均衡（Equalization）。所谓均衡，就是在RX端的接收芯片内

8、部增加一个均衡电路，这个均衡电路可以抬高接收到的信号中的高频分量，从而对线路的损耗进行进一步的补偿。均衡电路的实现难度较大，以前主要用在通信设备的背板或长电缆传输的场合，现在也逐渐开始在计算机领域应用，比如USB3.0中也采用了均衡技术。下图是PCIE3.0里对均衡器的频响特性的要求。我们可以看到均衡器的强弱也有很多档可选，在LinkTrain