高速串行數(shù)據(jù)鏈路自動(dòng)化一致性測試研究
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引言
每一位從286時(shí)代就開始接觸PC的朋友一定能深刻體會(huì)到計(jì)算機(jī)技術(shù)飛躍進(jìn)步給我們的生活和工作帶來的便利性，這些技術(shù)進(jìn)步主要體現(xiàn)在CPU的主頻越來越高，存儲(chǔ)器容量越來越大，以及芯片與芯片、模塊與模塊、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間互連總線的數(shù)據(jù)傳輸率也越來越快。圖1描述了一塊典型的計(jì)算機(jī)主板，其上運(yùn)轉(zhuǎn)的總線類型可能包括以太網(wǎng)、USB、PCIExpress、SAS、HDMI、SATA、FBDIMM和UWB等。這些總線結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是：①都是串行數(shù)據(jù)鏈路，發(fā)送和接收采用兩對差分信號線傳輸，沒有單獨(dú)的時(shí)鐘線，數(shù)據(jù)格式已包含了時(shí)鐘；②數(shù)據(jù)傳輸速率非常高，能達(dá)到Gb/s甚至10Gb/s速率級別以上，因而串行數(shù)據(jù)也是設(shè)計(jì)中必須重點(diǎn)考慮的問題；③同一總線上的多個(gè)接口器件（或模塊）很有可能由不同廠家制造，不同的電路原理、不同的PCB、不同的制造工藝，但卻要運(yùn)行在相同的總線架構(gòu)中，因此如何保證不同廠家器件的操作一致性是電子工程師必須面對的挑戰(zhàn)。
圖1 計(jì)算機(jī)主板上的典型總線標(biāo)準(zhǔn)
沒有規(guī)矩，不成方圓。各個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組織為促進(jìn)行業(yè)發(fā)展，制定了相應(yīng)的測試規(guī)范，要求進(jìn)行認(rèn)證的產(chǎn)品都必須完成指定項(xiàng)目參數(shù)的測試測量。例如，IEEE802.3分委員會(huì)專門制定了
10BaseT/100BaseT/1000BaseT三種速率級別以太網(wǎng)電接口的測試標(biāo)準(zhǔn)，定義了幾十個(gè)測量參數(shù)的合格范圍，包括眼圖模板、抖動(dòng)、上升時(shí)間、差分輸出電平等。如果設(shè)計(jì)的總線產(chǎn)品經(jīng)專門設(shè)備測量后，所有參數(shù)均符合規(guī)范要求，則認(rèn)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)是合格的，并能與其他廠家互相兼容的，這個(gè)過程稱為“一致性測試”。又比如USBIF組織針對USB2.0接口的一致性測試也制定了完整的規(guī)范，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的USB2.0產(chǎn)品經(jīng)測試后，必須全部符合規(guī)范要求，才被允許打上USB2.0標(biāo)志，才能被其他客戶認(rèn)可。
高速串行數(shù)據(jù)鏈路的一致性測試是個(gè)復(fù)雜的課題，既要求測試設(shè)備廠家能提供高性能的儀器，又要求測試工程師能充分利用儀器去解決問題。大家都希望儀器是我們解決問題的一部分，而不是問題本身的一部分。美國力科公司在數(shù)字示波器和串行數(shù)據(jù)分析儀平臺(tái)上提出了“自動(dòng)化測試”的概念，為多個(gè)串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)一致性測試提供完整的解決方案，包括最新的數(shù)字示波器和串行數(shù)據(jù)分析儀，能支持最高18GHz模擬帶寬、60GS/s實(shí)時(shí)采樣率。作為解決方案的一部分，力科還推出了自動(dòng)化一致性測試軟件包QualiPHY，致力于提高工作效率，降低工程師操作儀器和生成報(bào)告的復(fù)雜度，讓工程師不會(huì)再覺得一致性測試是枯燥無味的任務(wù)。下文向大家介紹QualiPHY是如何幫助工程師應(yīng)對高速串行數(shù)據(jù)鏈路測試面臨的挑戰(zhàn)的。
一致性測試的難點(diǎn)
目前，進(jìn)行串行數(shù)據(jù)鏈路一致性測試的主要儀器平臺(tái)是高速數(shù)字示波器或串行數(shù)據(jù)分析儀（如力科公司的SDA），工程師在利用這些設(shè)備進(jìn)行測試時(shí)，普遍面臨下面介紹的困難。
1 如何掌握測試標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容
隨著串行總線技術(shù)的日益進(jìn)步，信號完整性成為設(shè)計(jì)師最頭疼的問題，包括串?dāng)_、EMI、抖動(dòng)、反射、封裝噪聲、偏移和靜電等，這些問題對設(shè)計(jì)、測試同樣重要。各種串行總線的一致性測試標(biāo)準(zhǔn)均定義了以適應(yīng)高速信號龐大的信號完整性分析需求。例如，100BaseT的一致性測試規(guī)范要求測量眼圖、抖動(dòng)、上升/下降時(shí)間、過沖/下沖、差分輸出電平、高低電平對稱性、占空比偏移等；USB2.0一致性測試規(guī)范對HighSpeed的Device分析也定義了幾十個(gè)參數(shù)。每一種參數(shù)的測量對于示波器的使用都定義了設(shè)置參數(shù)，如圖2所示就是以太網(wǎng)一致性測試對過沖參數(shù)測量的示波器設(shè)置要求。
測試規(guī)范對每種參數(shù)都有適用范圍，實(shí)際測量值必須落在這個(gè)范圍才被判定為合格。
所以，測試工程師既需要掌握完整的測試參數(shù)列表，又需要了解每種參數(shù)對應(yīng)的示波器工作狀態(tài)，還需要清楚每個(gè)參數(shù)的合格測量范圍。這是非常復(fù)雜的工作。
2 如何設(shè)置測試環(huán)境
串行數(shù)據(jù)的信號質(zhì)量分析和一致性測試一般都離不開測試夾具的輔助。夾具的主要作用是在不同的信號形式之間相互轉(zhuǎn)換，比如以太網(wǎng)測試夾具就是將雙絞線信號轉(zhuǎn)換成探頭信號。每個(gè)測量項(xiàng)目都需要測試夾具、被測器件和示波器三者之間建立合適的互連拓?fù)潢P(guān)系，準(zhǔn)確掌握所有連接關(guān)系也是非常困難的事情。
圖3 USB2.0測試項(xiàng)目定制窗口
3 對儀器操作不是很熟悉
串行數(shù)據(jù)總線技術(shù)的飛速進(jìn)步對示波器的性能提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也使得現(xiàn)代高端示波器的操作復(fù)雜度也日益加大，記住一致性測試規(guī)程中的每個(gè)步驟，示波器該如何操作，是非常不容易的事。
4 如何生成測試報(bào)告
每個(gè)硬件工程師都有這種切身體會(huì)，編寫測試報(bào)告是非常費(fèi)神費(fèi)時(shí)的工作。需要收集測量結(jié)果、對比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范來分析某個(gè)測量參數(shù)是否合格，保存關(guān)鍵波形畫面并貼到報(bào)告中去，如果測試參數(shù)多達(dá)幾十個(gè)，比如USB2.0測試，那工作量將是非常巨大的。
5 串行數(shù)據(jù)協(xié)議類型比較多
計(jì)算技術(shù)的不斷普及和內(nèi)容需求的迅猛增長都需要更快的數(shù)字通路，目前PCI Express、SATA、HDMI、SAS等串行數(shù)據(jù)總線架構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于數(shù)字環(huán)境中，而且更快速的PCIExpress2.0、HDMI1.3、SATAIII等第二代和第三代總線架構(gòu)也已經(jīng)開始出現(xiàn)或正在研發(fā)過程中，再加上更為普遍的Ethernet和USB2.0，串行總線協(xié)議的類型越來越豐富，對測試工程師的要求也越來越高。不同協(xié)議測試的切換都意味著重新開始學(xué)習(xí)。
QualiPHY軟件特性
針對高速數(shù)字系統(tǒng)工程師在進(jìn)行串行總線一致性測試時(shí)面臨的難題，美國力科公司推出了功能強(qiáng)大、易于使用的QualiPHY軟件包，下面從幾個(gè)方面介紹該軟件如何幫助工程師解決這些一致性測試難題。
圖4 SATA I 1.5Gb/s 一致性自動(dòng)化測試過程示意
1 用戶可定制測量項(xiàng)目
完整的一致性測試包含十幾個(gè)甚至幾十個(gè)項(xiàng)目，但不是每次測試都要遍歷全部項(xiàng)目。
QualiPHY軟件支持用戶可定制化測試項(xiàng)目，可以選擇單個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目分別測試，從而大大提高了靈活性。圖3描述的是USB2.0 High Speed的DeviceorHub測試項(xiàng)目定制窗口。
2 自動(dòng)化測試
根據(jù)選擇好的測試項(xiàng)目，QualiPHY隨即展開一系列自動(dòng)化測試過程：自動(dòng)設(shè)置示波器工作參數(shù)包括采樣率、存儲(chǔ)深度、采集時(shí)間、縱軸刻度、觸發(fā)電平等；自動(dòng)定義測量參數(shù)；自動(dòng)調(diào)用第三方軟件如Matlab對波形運(yùn)算，自動(dòng)分析波形和測量結(jié)果，自動(dòng)輸出分析結(jié)果，整個(gè)測試過程完全是自動(dòng)化的，無須任何人工干預(yù)。在測試過程中會(huì)同步顯示測試狀態(tài)和過程提示。
QualiPHY軟件針對工程師操作示波器進(jìn)行一致性測試的使用特點(diǎn)而優(yōu)化自動(dòng)化測試流程，有效提高了一致性測試效率，并大大降低了操作儀器難度和重復(fù)勞動(dòng)量，使得測試過程充滿樂趣而不再是枯燥無味的任務(wù)，因而一推出即深受工程師的喜愛。圖4是SATA一致性自動(dòng)測試界面。
3 圖表化提示
QualiPHY軟件的用戶界面設(shè)計(jì)非常人性化和直觀實(shí)用，它會(huì)以圖表化的方式顯示出一致性測試的每個(gè)環(huán)節(jié)中測試夾具、示波器主機(jī)和DUT三者之間的拓?fù)潢P(guān)系，使用者無須記憶，就能正確設(shè)置測試環(huán)境。
4 自動(dòng)分析測量數(shù)據(jù)
示波器采集波形后，并按規(guī)范測量參數(shù)后，QualiPHY軟件會(huì)自動(dòng)將其與標(biāo)準(zhǔn)做對比，并輸出此參數(shù)通過或失敗的結(jié)論。圖5展示了QualiPHY軟件包對10BaseT峰值差分輸出電壓分析的結(jié)果，實(shí)際測量值為2.52V，802.3標(biāo)準(zhǔn)合格范圍是2.20～2.80V，顯然此參數(shù)測試通過。
5 集成多種串行數(shù)據(jù)協(xié)議
QualiPHY軟件集成了多種串行協(xié)議，包括流行的SATA、UWB、PCIE、SAS、FBDIMM、HDMI、USB、ENET等。不同的串行協(xié)議采用相同的用戶界面和操作方法，工程師無須重復(fù)學(xué)習(xí)，舉一反三即可快速掌握全部協(xié)議的一致性測試流程。
6 自動(dòng)輸出報(bào)告
QualiPHY軟件在完成所有指定項(xiàng)目的測量和分析任務(wù)后，會(huì)自動(dòng)生成美觀、實(shí)用、符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的測試報(bào)告，報(bào)告格式可以選擇是XML、HTML或PDF格式。節(jié)省了編寫測試報(bào)告的時(shí)間，工程師就可以把更多精力放在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，而不是測試上。
圖6 QualiPHY系統(tǒng)設(shè)置
QualiPHY系統(tǒng)設(shè)置
QualiPHY軟件包支持多種串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，既可以直接運(yùn)行在數(shù)字示波器上，也可以運(yùn)行在其他計(jì)算機(jī)上。推薦的執(zhí)行方式是單獨(dú)運(yùn)行在一臺(tái)控制計(jì)算機(jī)上，通過TCP/IP協(xié)議與測試示波器建立通信連接。這樣做的主要好處是示波器上顯示波形，QualiPHY軟件顯示分析結(jié)果，兩種界面可以同時(shí)被用戶觀測。QualiPHY軟件下發(fā)設(shè)置參數(shù)和測量命令到示波器上，示波器上傳捕獲波形到QualiPHY分析，QualiPHY將分析結(jié)果在控制PC上輸出美觀、實(shí)用和符合規(guī)范的結(jié)果報(bào)告。圖6描述了QualiPHY_for_ENET測試環(huán)境。用戶可以去www.lecroy.com自由下載QualiPHY軟件包，親身體會(huì)它給高速串行數(shù)據(jù)一致性測試帶來的高效和便利性。
結(jié)語
QualiPHY自動(dòng)化一致性測試軟件運(yùn)行在中高端數(shù)字示波器或串行數(shù)據(jù)分析儀上，針對典型高速串行數(shù)據(jù)鏈路一致性測試的流程特點(diǎn)，提供了全面而豐富的軟件功能和人機(jī)界面，有效降低了工程師操作儀器的復(fù)雜度，提高了測試效率，從而使得一致性測試成為一件非常有趣的工作，而非枯燥無味的任務(wù)。
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