PCIe Retimer TX和RX电气测试

随着PCIe速率越来越高，信号衰减和抖动问题开始突出，为了确保长距离、复杂环境或高数据速率下，PCIe链路仍能保持稳定可靠的通信，出现了PCIe Retimer。那么，对于高速的PCIe Retimer如何进行高效的电气测试呢？PCIe Base协议设计了两个测试状态机：环回测试（Loopback）和一致性测试（Compliance）。接下来，我们一起了解这两种测试状态机。

一、Loopback测试

Loopback主要应用于接收端（RX）能力测试和误码故障隔离测试。对于Loopback测试有很多种类型，本文仅针对BASE规范规定的逻辑层的loopback进行解读。Loopback测试的进入方式主要有两种：

Training结束之后从Recovery状态机进入；

GEN1 Link Up之前从Configuration状态机进入。

Loopback既可以在单lane上进行，也可以按整link进行。下图是Loopback状态机进入退出示意图：

图1  PCIe Loopback子状态跳转示意图

（图片来源于PCI Express® Base Specification Revision 5.0 Version 1.0）

Retimer loopback协议里有两种描述：Forwarding loopback和Slaveloopback。

在了解loopback组网之前，我们先介绍下两个名词定义：

● Loopback Lead：引导进入Loopback的设备。

● Loopback Follower：环回收到数据的设备。

在大多数场景，PCIe Retimer转发收到的数据/码流，Forwarding loopback状态Retimer也属于转发数据/码流状态，该状态用于整个系统链路误码测试分析，分析对象为RC/EP/SW,不在此重点描述。

图2  Retimer进行FWD Loopback组网示意图

本文主要分析对象为Retimer, 下面我们来看下 Retimer Slave loopback的定义：

根据Intel补充规范定义的寄存器配置 ,Retimer将自身作为Loopback follower执行协议规定的相关握手操作，Retimer将RX LANE收到的数据或者码流环回后用对应TX LANE发出给Loopback lead设备即Slave Loopback。

图3  Retimer进行Slave Loopback组网示意图

Retimer在Slave Loopback下的相关行为主要有如下两种：

01 Recovery状态进入Loopback

一般电气性能测试RX时通过此方式进入，测试组网如图3所示，通常是误码率测试仪（BERT）+36dB Channel+示波器（OSC）校准误码仪输出，使得BERT TX经过36dB Channel后，到达示波器的眼睛为协议规定的最小压力眼要求。将示波器换成DUT后，BERT和DUT（Design Under Test）进行建链协商，待Gen5 EQ协商完成后进入Gen5 Recovery.Idle,BERT发起Loopback码流，引导DUT进入Slave Loopback模式(Retimer)。

图4  RX测试组网示意图

02 Configuration状态进入Loopback

该场景为协议定义的另一种进入Loopback状态的方式，一般测试不采用此种方式，仅测试规范里会对此场景进行测试。由于Configuration状态进入可能此时链路并没有训练，所以分为以下三种情况。

①声明当前速率进入Loopback：

该场景与Recovery状态进入Loopback行为类似，一般为上电或者Hot Reset之后直接从configuration状态进入Loopback(Gen1)。值得注意的是要避免Training后先进入Recovery状态，在切换Configuration状态进入，因为可能导致Loopback Lead从Configuration状态，Loopback Follower在Recovery状态被引导进入Loopback状态，行为可能会出现错误。

②声明非当前速率进入Loopback

该场景为上电或者Hot Reset之后直接从Configuration状态进入Loopback, 在TS1码流里声明要测试的速率，接着切到指定速率进行Loopback测试。

③声明速率为Gen5且做EQ进入Loopback

该场景为上电或Hot Reset之后直接从Configuration状态进入测试Gen5的Loopback，此时如果Loopback Lead想先做EQ，在Gen1下的Loopback.entry状态下发送的TS1码流会修改ELBC域段。与Retimer正常training状态下的EQ行为不同，此时Retimer的行为与RC/EP的行为类似。需要注意的是，协议规定在做均衡的状态下，任何超时也都会进入到Loopback.entry状态。

二、Compliance测试

Compliance主要应用于发送侧（TX）电气性能测试。Compliance从LTSSM角度只是Polling状态的一个分支，其进入方式分为了三种，

● CLB（Compliance Load Board）CLB组网引导方便，切速简单高效。

● Compliance Receive需要PCIE模拟器或者修改引导设备的寄存器通过码流引导被测设备进入。

● Enter Compliance 修改被测设备寄存器后发起hot reset进入。

对于retimer来说，在CLB模式下会进入执行模式，其他两个方式进入时仍会处于转发状态。为简化Retimer组网引导和切速，一般Retimer TX电气测试用CLB模式引导进入。

01 CLB状态机

一般测试TX的电气性能需要使用CLB/CBB板，本文描述CLB均代表逻辑层的CLB状态机。测试组网示意图如图4所示，Retimer被测TX LANE接到示波器，其余TX LANE用50ohm端接，被测RX LANE 接到按键控制的100MHz时钟上， Retimer进入CLB模式需要RC/EP协助引导。

图5  DUT为Retimer的CLB测试组网示意图

上电之后，Retimer在RC/EP引导下进入CLB模式，并且发送Gen1的Compliance Pattern。按控制时钟按键，会使得Retimer退出CLB模式进入到转发Polling.Active，再由RC/EP引导进入CLB模式，此时Retimer进入的次数变为两次，Retimer发送Pattern切换成Gen2 -3.5dB的Compliance Pattern。Retimer发送Compliance Pattern与进入次数的规则如下表1所示。当切换到第55次时，会重新进入发送Gen1的Compliance Pattern，以此类推。

表1 关于Compliance pattern的设定

（表格来源于PCI Express® Base Specification Revision 5.0 Version 1.0）

注:

● 对于#1到#25，#35到#45：所有的lane都发送Compliance Pattern。

● 对于#26，#46, 所有lane发送Jitter Measurement Pattern。

● 对于#27，#47，lane 0/8发送Jitter Measurement Pattern，其他lane仍发Compliance Pattern。

● 对于#28，#48，lane 1/9发送Jitter Measurement Pattern，其他lane仍发Compliance Pattern。

● 对于#29，#49，lane 2/10发送Jitter Measurement Pattern，其他lane仍发Compliance Pattern。

● 对于#30，#50，lane 3/11发送Jitter Measurement Pattern，其他lane仍发Compliance Pattern。

● 对于#31，#51，lane 4/12发送Jitter Measurement Pattern，其他lane仍发Compliance Pattern。

● 对于#32，#52，lane 5/13发送Jitter Measurement Pattern，其他lane仍发Compliance Pattern。

● 对于#33，#53，lane 6/14发送Jitter Measurement Pattern，其他lane仍发Compliance Pattern。

● 对于#34，#54，lane 7/15发送Jitter Measurement Pattern，其他lane仍发Compliance Pattern。

02 Enter Compliance和Compliance Receive

这两个进入Compliance的方式只会进入指定的速率和并且指定的发送侧系数，并不能像CLB一样去切Pattern，属于逻辑功能测试，一般测试电气特性不会使用这种方式。并且这两种方式并不会引导Retimer进入执行模式，只是单纯转发两侧发送的Compliance Pattern。

环回测试（Loopback）可以在不需要其他设备或网络连接的情况下对设备进行测试。这种简单有效的方法常被用于网络设备、通信设备、服务器、数据存储设备、软件开发、自动化等系统或设备的测试和诊断，提高设备的可靠性和稳定性。

一致性测试（Compliance）可以确保PCIe设备符合PCIe Base规范的标准，从而提高设备与其他设备的兼容性。这对于降低研发和生产成本、确保设备能够在不同供应商的系统中正常运行至关重要。