Messtechnik für schnelle digitale Schnittstellen, PCIe-Tests

PCIe-Testlösungen

Tests von PCIe (Peripheral Component Interconnect Express)

Praktisch alle Anforderungen an PCIe-Tests der Datenübertragung und Signaleigenschaften werden von Oszilloskopen erfüllt – sowohl während der Entwicklung als auch für PCIe-Konformitätsprüfungen. Auf der Bitübertragungsschicht bieten Netzwerkanalysatoren die größtmögliche Präzision für Signalintegritätstests. Mit einem automatisierten, Netzwerkanalysator-basierten Messaufbau, der nur von Rohde & Schwarz verfügbar ist, lässt sich der Zeitaufwand für Tests von Signalintegritätsparametern drastisch reduzieren. Außerdem profitiert die Zuverlässigkeit bei Tests von PCIe-Kabeln und -Steckverbindern mit vier oder mehr Lanes gemäß der Spezifikation 5.0 oder 6.0.

PCIe ist der De-facto-Standard für Verbindungen auf der Hauptplatine eines Servers oder PCs zwischen dem Hauptprozessor und den integrierten Peripheriekomponenten (oberflächenmontierten Chips) sowie einsteckbaren Peripheriekomponenten (Erweiterungskarten) wie Grafik- oder Speicherkarten und anderen Zusatzkarten. Für Hersteller von PCs, Chips und Steckkarten in der ganzen Branche stellt die Verifizierung von PCIe-Schnittstellen während der Entwicklung und später für die Funktionsverifizierung und Qualitätskontrolle in der Produktion eine kritische Aufgabe dar.

Die erste Version PCIe 1.0 datiert zurück auf das Jahr 2003. Sie bot eine Bandbreite von 8 GB/s bei einer Frequenz von 2,5 GHz und unterstützte 2,5 Gigatransfers pro Sekunde (GT/s). Seither wurde alle paar Jahre eine neue, leistungsfähigere Version von der PCI-SIG (Special Interest Group) veröffentlicht, die jeweils die doppelte Performance gegenüber dem Vorläufer bietet. Die neueste Version PCIe 6.0, die 2022 veröffentlicht wurde, sieht eine Bandbreite von 256 GB/s bei einer Frequenz von 32 GHz vor und unterstützt 64 GT/s. Die Datenraten werden in Transfers pro Sekunde angegeben und nicht als Bitrate wie sonst üblich. Dies geschieht deshalb, weil bei der Übertragung Datenbits in eine größere Anzahl von Übertragungszeichen konvertiert werden, um Übertragungsfehler zu reduzieren. Die größere Menge der zu übertragenden Informationen wird dafür in Kauf genommen. Bei PCI 1.0 und 2.0 kommt die Codierung 8b/10b zum Einsatz. Bei der Version 3.0 wurde der Overhead der Übertragung durch die Codierung 128b/130b erheblich verringert. Die Übertragungsfehler werden durch einen DC-Abgleich und begrenzte Diskrepanz (bounded disparity) erreicht – da auf lange Sicht zu 50 % eine „1“ und zu 50 % eine „0“ übertragen wird.

Die Codierung 128b/130b verringert aber nicht nur den Protokoll-Overhead von 25 % auf 1,5 %, sondern reduziert auch die protokollbasierte Übertragungsfehlerkorrektur. Seit PCIe 3.0 kommt Empfängerentzerrung zum Einsatz, um den kanalinternen Frequenzgang bei höheren Frequenzen zu kompensieren. Ausgefeilte Algorithmen zielen darauf ab, digitale Filter zu erstellen, die auf den Kanalverlust beim Empfänger abgestimmt sind.

PCIe baut Verbindungen über 1 oder mehrere Lanes eines Steckplatzes auf. Eine Lane enthält ein Sende- und ein Empfangspaar aus differenziellen Leitungen. Jede Lane nimmt somit einen Vollduplex-Stream auf, mit dem Datenpakete transportiert werden. Ein PCIe-Steckplatz kann zwischen einer und zweiunddreißig Lanes enthalten, wobei die Anzahl stets eine Zweierpotenz darstellt. Die Anzahl der Lanes wird mit dem Präfix „x“ angegeben – z. B. steht x16 für eine Karte oder einen Steckplatz mit sechzehn Lanes. Mehr als 16 Lanes kommen selten zum Einsatz. Ein x1-Steckplatz überträgt Daten mit 1 bit pro Zyklus, ein x16-Steckplatz entsprechend mit 16 bit pro Zyklus. Sowohl in Bezug auf Steckplätze als auch Versionen ist PCIe vollständig abwärtskompatibel, wobei sich die Datenrate immer nach der kleineren Steckplatzgröße und niedrigeren Version richtet.

Die kommerzielle Implementierung von PCIe hinkt dem neuesten Standard um mehrere Versionen hinterher. Noch immer sind mehr PC-Motherboards für PCIe 3.0 als für 4.0 auf dem Markt. Bauteile nach dem Standard 5.0 sind sogar noch seltener – denn es gibt nur wenige Anwendungen, die Datenraten von über 16 GT/s erfordern. Für die einfacheren Prozessoren, die in vielen Geräten für Industrie und Verbraucher arbeiten, bietet schon PCIe 1.0 mehr als genug Leistung.

Ihre PCIe-Testherausforderungen

  • Wie lässt sich bei PCIe-Kabeln und -Steckverbindern mit vier oder mehr Lanes gemäß Spezifikation 5.0 oder 6.0 zuverlässig, mit vertretbarem Zeitaufwand und geeigneten Testverfahren die Signalintegrität bestimmen, wenn hierzu Hunderte von Messungen notwendig sind? Es sind außerdem unterschiedliche Messanforderungen bei Entwicklung, Konformitätsprüfung und Produktion zu berücksichtigen.
  • Wie können PCIe-Nachrichten ausgelesen werden? Aufgrund der Übertragungscodierung, die die Umwandlung der Datenbits in eine größere Anzahl von Übertragungszeichen vorsieht, ist ein direktes Auslesen der Daten aus dem Datenstrom nicht möglich. Die Empfänger-Entzerrungsalgorithmen erschweren die Decodierung des Nachrichteninhalts zusätzlich.
  • Bewerten der Qualität und Signalintegrität der Datenübertragung und Überprüfung der Einhaltung von Jitter-Toleranzen.
  • Konformitätstests umfassen eine Reihe von Testabläufen, die strikt eingehalten werden müssen, um die Gültigkeit der Ergebnisse zu gewährleisten. Sie müssen sich sicher sein können, dass Sie die Konformitätstests korrekt durchführen. Als zusätzliche Komplikation der PCIe-Testverfahren muss für jeden Test aus mehreren Testsignalen das jeweils richtige ausgewählt werden.

Unsere PCIe-Testlösungen

Für PCIe-Kabel und -Stecker, die der Spezifikation 5.0 oder 6.0 entsprechen, können Sie alle erforderlichen Signalintegritätsparameter mit einem automatisierten Testaufbau messen, der einen R&S®ZNB43 Netzwerkanalysator für die Messungen, die R&S®OSP320 Open Switch and Control Platform zum Umschalten zwischen Ports und die R&S®ZNrun-K440 Option zur Automatisierung der Testverfahren umfasst.

Sowohl das R&S®RTO64 als auch das R&S®RTP Oszilloskop bieten die erforderliche Leistung zur Untersuchung von PCIe 1.0- und PCIe 2.0-Signalen. Mit dem R&S®RTP können auch PCIe 3.0-Signale untersucht werden. Spezielle PCIe-Optionen für beide Oszilloskope ermöglichen das Triggern auf und Decodieren von PCIe-Signalen zum Debuggen und Verifizieren der Performance:

  • Für PCIe 1.0 eignet sich ein R&S®RTO64 oder R&S®RTP Oszilloskop (Bandbreiten 6–16 GHz). Führen Sie mit Option K81 sämtliche PCIe 1.0-Konformitätstests für alle Steckplatzgrößen (x1/4/8/16) und bis zur maximalen Datenrate (2,5 GT/s) durch. Mit Option K72 können Sie auf Protokolldetails triggern, sie decodieren und durchsuchen.
  • Für PCIe 2.0 eignet sich ein R&S®RTO64 oder R&S®RTP Oszilloskop (Bandbreiten 6–16 GHz). Führen Sie sämtliche PCIe 1.0-Konformitätstests auf PCIe 2.0 für alle Steckplatzgrößen (x1/4/8/16) bis zu einer maximalen Datenrate von 2,5 GT/s mit einem R&S®RTO64 oder bis zur maximalen Datenrate (5,0 GT/s) mit einem R&S®RTP und Option K81 durch. Mit Option K72 können Sie auf Protokolldetails triggern, sie decodieren und durchsuchen.
  • Für PCIe 3.0 eignet sich ein R&S®RTP Oszilloskop (Bandbreiten 13–16 GHz). Führen Sie mit Option K83 sämtliche PCIe 3.0-Konformitätstests für alle Steckplatzgrößen (x1/4/8/16) bis zur maximalen Datenrate (8 GT/s) durch. Mit Option K73 können Sie auf Protokolldetails triggern, sie decodieren und durchsuchen. Option K140/K141 ermöglicht das Triggern auf decodierte Daten.

Der wichtigste technische Parameter eines Oszilloskops, von dem abhängt, welche Signale zu welchen Testzwecken erfasst werden können, ist die Bandbreite. Zur Fehlersuche sollte die Bandbreite die 3. Harmonische der Grundfrequenz des erforderlichen Signals abdecken und für Konformitätstests auch die 5. Harmonische.

Zur Vereinfachung und Automatisierung von Konformitätsprüfverfahren mit Oszilloskopen bietet die R&S®ScopeSuite:

  • Einen umfassenden Graphical Wizard, der von Anfang bis Ende durch die Konformitätsprüfverfahren führt.
  • Automatisierte Steuerung aller notwendigen Oszilloskopeinstellungen und Konformitätstestsequenzen.
  • Konfigurierbare Testberichte zur Dokumentation der Testergebnisse.

Darüber hinaus liefert Rohde & Schwarz sämtliches notwendiges Zubehör wie Hochgeschwindigkeits-Tastköpfe für PCIe-Fehlersuche, Signalintegritätstests, Validierung und Konformitätstests.

Für PCIe-Schnittstellentests ermöglichen Rohde & Schwarz Netzwerkanalysatoren (R&S®ZNA, R&S®ZNB) Signalintegritätsmessungen mit einem Dynamikbereich und einer maximalen Bandbreite, die deutlich über allen PCIe-Anforderungen liegen. Für beide Analysatorfamilien unterstützt die Option K2 in Verbindung mit K20 die Zeitbereichsanalyse einschließlich Augendiagrammen und eine gleichzeitige Frequenzbereichsanalyse.

Vorteile unserer PCIe-Testlösungen

In allen Phasen der Entwicklung von Kabeln und Interconnects von F&E bis Produktion bewältigt ein automatisierter Aufbau mit Netzwerkanalysator alle Komplexitäten des Testverfahrens mit absoluter Zuverlässigkeit. Zudem lässt sich der Zeitaufwand der Tests um den Faktor 10 oder mehr reduzieren.

Sie können darauf vertrauen, dass die Ergebnisse Ihrer Konformitätstests gültig sind. Alle Konformitätstestoptionen von Rohde & Schwarz implementieren vollständig die offizielle Konformitätstestsoftware der PCI Special Interest Group (PCI-SIG) für Signalqualitäts- und Referenztakttests sowie die Datenaugenverifizierung.

Für Konformitätstests sind mehrere Testsignalmuster erforderlich. Mit installiertem Arbiträrfunktionsgenerator (Option B6) wechseln Oszilloskope von Rohde & Schwarz automatisch zwischen den jeweils benötigten Testsignalen. Damit wird nicht nur der Zeitaufwand reduziert, sondern auch sichergestellt, dass immer die richtige Signalform ausgewählt ist.

Der Zeitversatz (Skew) zwischen Oszilloskopkanälen bei höheren PCIe-Frequenzen kann mit Option B7 als Pulsquelle zur Kanalentzerrung kompensiert werden.

Das R&S®RTP bietet das umfassendste Sortiment an Debug- und Analyse-Tools für PCIe auf dem Markt:

  • Sie können nach Protokolldetails wie Transaktionsschicht-Paketen (TLP), Datenschicht-
  • Paketen (DLLP), geordneten Mengen und Fehlern suchen und entsprechende Trigger setzen. Die Decodierungsstufe ist von Bits bis zum endgültigen Protokollinhalt nach den Anforderungen des Benutzers einstellbar.
  • Eine Konsequenz der Übertragungscodierung ist, dass ein direktes Auslesen der Daten aus dem Datenstrom nicht möglich ist. Die Optionen R&S®RTP- K140/141 ermöglichen die Taktdatenrückgewinnung – die Extrahierung des eingebetteten Takts aus dem Signal –, sodass auf decodierte Daten getriggert werden kann – ein sehr leistungsfähiges Tool für die Fehlersuche.
  • Empfängerentzerrung zur Kompensation von Signalintegritätsverlusten am Empfänger, wodurch eine genaue Bitwiederherstellung und niedrige Bitfehlerraten für PCIe 3.0 gewährleistet werden. Die beiden gebräuchlichsten Empfänger-Entzerrungsalgorithmen sind in den Trigger- und Decodierfunktionen umfasst: CTLE (Continuous-Time Linear Equalization) und DFE (Decision Feedback), einschließlich nichtlinearer Filterung.
  • Augendiagramme bieten ein einfaches grafisches Werkzeug zur Bewertung der Qualität und Integrität von Datensignalen. Dank der einzigartigen Digitaltrigger-Technologie der Rohde & Schwarz Oszilloskope ermöglichen die Optionen R&S®RTP-K136/K137 die Augenanalyse nahezu in Echtzeit für digitale Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie PCIe.
  • PCIe-Standards fordern die Einhaltung von Jitter-Toleranzen (Signal-Timing-Störungen). Analysieren Sie Jitter mit der Option R&S®RTP-K133.

Signalverluste sind unvermeidlich zwischen dem Punkt der Signalerfassung und dem Eingang des Messgeräts, bedingt durch die Messköpfe, Adapter und Kabel im Messaufbau. Je höher die Frequenz, desto größer der Signalverlust. Die Option R&S®RTP-K122 ermöglicht eine unkomplizierte Konfiguration der zu kompensierenden Komponenten, sodass die Übertragungsdämpfung durch Berechnungen auf Basis von S-Parametern korrigiert werden kann.

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