PCIE3.0簡介

那么PCI-E 3.0總線究竟有什么特點？對于其測試有什么特殊的地方呢？我們這里就來探討一下。

制定PCI-E 3代規(guī)范的目的主要是要在現(xiàn)有的廉價的FR4板材和接插件的基礎(chǔ)上提供比PCI-E 2代高一倍的有效數(shù)據(jù)傳輸速率，同時保持和原有1代、2代設(shè)備的兼容。別看這是個簡單的目的，但實現(xiàn)起來可不容易。

我們知道，PCI-E 2代在每對差分線上的數(shù)據(jù)傳輸速率是5Gbps，相對于1代數(shù)據(jù)速率的兩倍；而PCI-E 3代要相對于2代把速率也提高一倍，理所當(dāng)然的是把數(shù)據(jù)傳輸速率提高到10Gbps。但是就是這個10Gbps帶來了很大的問題，因為PC和Server上出于成本的考慮，普遍使用便宜的FR4的PCB板材以及廉價的接插件，如果不更換板材和接插件，很難保證10Gbps的信號還能在原來的信號路徑上可靠地傳輸很遠(yuǎn)的距離（典型距離是15～30cm）。因此PCI-SIG最終決定把PCI-E 3代的數(shù)據(jù)傳輸速率定在8Gbps。但是8Gbps比著2代的5Gbps并沒有高一倍，所以PCI-E協(xié)會決定在3代標(biāo)準(zhǔn)中把在1代和2代中使用的8b/10b編碼去掉。

我們知道，在PCI-E 1代和2代中為了保證數(shù)據(jù)的傳輸密度、直流平衡以及內(nèi)嵌時鐘的目的，會把8bit數(shù)據(jù)會編碼成10bit數(shù)據(jù)傳輸。因此，5Gbps的實際有效數(shù)據(jù)傳輸速率是5Gbps×8b/10b＝4Gbps。這樣，如果在PCI-E 3代中如果不使用8b/10b編碼，其有效數(shù)據(jù)傳輸速率就能比 2代的4Gbps提高1倍。但是這樣問題又來了，數(shù)據(jù)如果不經(jīng)編碼傳輸很難保證數(shù)據(jù)傳輸密度和直流平衡，接收端的時鐘恢復(fù)電路也很容易失鎖。為了解決這個問題，PCI-E 3代里面采用了擾碼的方法，即數(shù)據(jù)傳輸前先和一個多項式進行異或，這樣傳輸鏈路上的數(shù)據(jù)就看起來就比較有隨機性，到了接收端再用相同的多項式把數(shù)據(jù)恢復(fù)出來。

通過上述方法，PCI-E 3代就可以用8Gbps的傳輸速率實現(xiàn)比2代的5Gbps高1倍的數(shù)據(jù)傳輸速率。實際應(yīng)用中PCI-E 3代的總線上也仍然有數(shù)據(jù)編碼，不過采用的是128b/130b的編碼，編碼效率很高，由此損失的總線有效帶寬比8b/10b編碼小多了。

PCI-E 3.0 發(fā)送及接收端的變化

但是問題遠(yuǎn)沒有結(jié)束，即使數(shù)據(jù)速率只有8Gbps，要在原有的廉價PCB和接插件上實現(xiàn)可靠傳輸也還要解決一些新的問題。其中最大的問題是信號的損耗，F(xiàn)R4板材對信號高頻成分有很大衰減，而信號速率越高，其高頻成分越多，所以衰減也就更厲害。下圖是不同速率的信號經(jīng)過10英寸的FR4板材的PCB傳輸以后信號的眼圖，我們可以看到8Gbps的信號在接收端基本上看不到眼圖了，更不要說進行有效的數(shù)據(jù)接收。

為了解決這個問題，在PCI-E的1代和2代中使用了去加重（De-emphasis）技術(shù)，即信號的發(fā)射端（TX）在發(fā)送信號時對跳變bit（代表信號中的高頻成分）加大幅度發(fā)送，這樣可以部分補償一下傳輸線路對高頻成分的衰減，從而得到比較好的眼圖。PCI-E 1代中采用了-3.5db的去加重，PCI-E 2代中采用了-3.5db和-6db的去加重。而對于3代來說，由于信號速率更高，需要采用更加復(fù)雜的去加重技術(shù)，因此除了跳變bit比非跳變bit幅度增大發(fā)送以外，在跳變bit的前1個bit也要增大幅度發(fā)送，這個增大的幅度通常叫做Preshoot。下圖是PCI-E 3代中采用的預(yù)加重技術(shù)對波形的影響的例子（參考資料：PCI Express® Base Specification 3.0 ）。

為了應(yīng)對復(fù)雜的鏈路環(huán)境，PCI-E 3代中規(guī)定了共11種不同的Preshoot和De-emphasis的組合，每種組合叫做一個Preset，實際應(yīng)用中Tx和Rx端可以在Link Training階段根據(jù)接收端收到的信號質(zhì)量協(xié)商出一個最優(yōu)的Preset值。下圖是11種Preset的組合（參考資料：PCI Express® Base Specification 3.0）。比如P4代表沒有任何預(yù)加重，P7代表最厲害的預(yù)加重。

那做了這些工作就夠了嗎？經(jīng)過實驗發(fā)現(xiàn)，僅僅在發(fā)送端對信號高頻進行補償還是不夠，于是PCI-E 3代標(biāo)準(zhǔn)中又規(guī)定在接收端（RX端）還要對信號做均衡（Equalization），從而對線路的損耗進行進一步的補償。均衡電路的實現(xiàn)難度較大，以前主要用在通信設(shè)備的背板或長電纜傳輸?shù)膱龊希F(xiàn)在也逐漸開始在計算機領(lǐng)域應(yīng)用，比如USB3.0中和SATA 6G中也采用了均衡技術(shù)。下圖是PCI-E 3.0里對均衡器的頻響特性的要求。我們可以看到均衡器的強弱也有很多檔可選，在Link Training階段TX和RX端會協(xié)商出一個最佳的組合（參考資料：PCI Express® Base Specification 3.0）。

經(jīng)過各種信號處理技術(shù)的結(jié)合以及大量的實驗，PCI-E 3.0總算初步實現(xiàn)了在現(xiàn)有的FR4板材和接插件的基礎(chǔ)上提供比PCI-E 2代高一倍的有效數(shù)據(jù)傳輸速率。但我們同時也看到，PCI-E 3代的芯片會變得更加復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計的難度也也更大。如何保證PCI-E 3代總線工作的可靠性和很好的兼容性，就成為設(shè)計和測試人員面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。