記得大概在6 年前，隨便翻閱一本計(jì)算機(jī)相關(guān)雜志，看到一則硬盤的廣告，什么品牌記不得了，印象最深的就是它所宣傳的新技術(shù)- 串行總線。當(dāng)時(shí)我還沒(méi)有接觸高速數(shù)字電路方面的知識(shí)，腦子里還是傳統(tǒng)的教科書式的關(guān)于數(shù)字電路的概念：串行，或是異步串行總線，無(wú)外乎RS232 、RS485 等。居然串行構(gòu)架的傳輸效率高過(guò)于并行的系統(tǒng)，簡(jiǎn)直無(wú)法想象?；仡^看看這幾年市場(chǎng)熱點(diǎn)和技術(shù)革新，在對(duì)照自己第一次接觸“串行”時(shí)的愕然，不禁莞爾。
這篇小文章就是自己對(duì)關(guān)于高速串行數(shù)字電路設(shè)計(jì)、測(cè)試的知識(shí)體系的一個(gè)梳理。特別是在加入Tektronix 之后，負(fù)責(zé)HSSD （High Speed Serial data ）測(cè)試產(chǎn)品的支持，從日常接觸的客戶中，了解到很多具體的應(yīng)用和實(shí)例，在一定程度上講，Tektronix 就像小蜜蜂一樣，在不同的客戶中間，傳播著HSSD 設(shè)計(jì)、測(cè)試的理念和經(jīng)驗(yàn)。這篇小東西包含了涉及HSSD 各個(gè)方面的內(nèi)容，有談到基本的原理、測(cè)試的方法、時(shí)下比較流行的技術(shù)，以及常見(jiàn)的故障信號(hào)以及解決方案。希望這篇小東西能在日常繁瑣的工作之余，作為一盤“小甜點(diǎn)”，給大家?guī)?lái)內(nèi)心那一份久違的、輕松愉悅的微笑。
一、高速串行總線基本知識(shí)
并行總線之所以在高速傳輸上被串行總線取代的原因就在于：第一，系統(tǒng)時(shí)鐘的瓶頸；第二，總線間的串?dāng)_。要達(dá)到上Gbps的傳輸速率，對(duì)于并行總線而言，勢(shì)必時(shí)鐘頻率要達(dá)到GHz，就算是使用DDR方式，其系統(tǒng)時(shí)鐘頻率之高，在板級(jí)分布之困難，使得我們望而卻步。而動(dòng)輒幾十條走線等長(zhǎng)的排布，可控的串?dāng)_，幾乎也是不可能完成的任務(wù)，而不斷增加的時(shí)鐘頻率，又對(duì)等長(zhǎng)走線要求越來(lái)越嚴(yán)格，并行總線的瓶頸似乎變得非常的突出。
串行總線沒(méi)有時(shí)鐘。或是說(shuō)在串行總線收發(fā)兩端，不需要同步時(shí)鐘。這是串行總線最突出的一個(gè)特點(diǎn)。這是這個(gè)特點(diǎn)，一舉將并行構(gòu)架的瓶頸打破，數(shù)據(jù)速率可謂突飛猛進(jìn)！最新在PC行業(yè)的動(dòng)向是8Gbps的PCIE Gen3。而在通信行業(yè)，超過(guò)10Gbps的串行總線早已在使用了。
對(duì)于高速串行系統(tǒng)的驗(yàn)證與測(cè)試和傳統(tǒng)的信號(hào)測(cè)試有自己特殊的之處，傳統(tǒng)信號(hào)測(cè)試關(guān)心信號(hào)的模擬特征，包括時(shí)序和幅度方面特性的考察。對(duì)于并行總線而言，時(shí)序的方面的測(cè)量最主要以建立/保持時(shí)間為主，為了滿足接收端能否正確的鎖存數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的時(shí)序必須滿足建立/保持時(shí)間的要求，否則會(huì)產(chǎn)生誤碼。對(duì)于高速串行系統(tǒng)而言，測(cè)試的目的也是為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求的誤碼水平。并行和串行的差別就在于發(fā)送端和接收端對(duì)數(shù)據(jù)鎖存的處理和時(shí)鐘的傳輸上的差異。串行系統(tǒng)在發(fā)送斷通過(guò)串行發(fā)送器將數(shù)據(jù)按照Tx clk的節(jié)拍發(fā)送到總線上，在接收端必須能夠從數(shù)據(jù)中恢復(fù)出時(shí)鐘，并且用該時(shí)鐘鎖存數(shù)據(jù)，進(jìn)行解碼。在串行系統(tǒng)中，我們不再關(guān)心時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)之間的時(shí)序，而是關(guān)心在發(fā)送端是否能否嚴(yán)格按照時(shí)鐘節(jié)拍發(fā)送數(shù)據(jù)；在接收端能否恢復(fù)出時(shí)鐘；在互連層面關(guān)心傳輸線對(duì)信號(hào)完整性，特別是抖動(dòng)的影響。
圖表 1典型的串行系統(tǒng)
那么如何去定量串行系統(tǒng)的性能呢？在高速串行系統(tǒng)中，主要通過(guò)眼圖測(cè)試。眼圖是把連續(xù)的比特流按照某一特定的時(shí)鐘，分割為單獨(dú)的比特，而后疊加而形成的圖形，類似一個(gè)張開(kāi)的眼睛，故得名眼圖(Eye-diagram)。
圖表 2眼圖的形成
眼圖是高速串行信號(hào)的宏觀的信號(hào)質(zhì)量的體現(xiàn)，在眼圖中能直接反映出信號(hào)串行信號(hào)的幅度（如眼高、過(guò)沖、噪聲等）和時(shí)序（如上升/下降時(shí)間、UI長(zhǎng)度、眼寬、抖動(dòng)等）特性。在接收端，理想的時(shí)鐘判決應(yīng)該發(fā)生在整個(gè)眼圖的中間，這樣才能保證系統(tǒng)有最好的誤碼特性。
圖表 3理想的采樣時(shí)刻-中間的紅色十字
接收端是如何恢復(fù)出嵌入在串行數(shù)據(jù)中的時(shí)鐘呢？是通過(guò)接收端的時(shí)鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)（CDR）來(lái)完成的。CDR的實(shí)現(xiàn)可以有很多中方式，通常使用鎖相環(huán)(PLL)或者鑒相器(PI)來(lái)完成。PLL類型的CDR通過(guò)數(shù)據(jù)中0-1的跳變來(lái)鎖定時(shí)鐘相位和頻率，在一定的范圍內(nèi)能夠跟蹤數(shù)據(jù)信號(hào)的抖動(dòng)，以保持時(shí)鐘和數(shù)據(jù)相位的一致，而后通過(guò)判決電路(DC)得到數(shù)據(jù)。PLL類型的CDR要求數(shù)據(jù)中有足夠多的0-1跳變，而且數(shù)據(jù)必須是直流平衡的，因此在數(shù)據(jù)進(jìn)入到串行發(fā)送器之前，會(huì)通過(guò)8B/10B編碼，使得數(shù)據(jù)有足夠多的跳變，并且保證一段數(shù)據(jù)流中0和1的個(gè)數(shù)相同。
圖表 4 PLL類型的CDR電路
CDR的目的很明確，跟蹤數(shù)據(jù)抖動(dòng)的變化（產(chǎn)生和數(shù)據(jù)同步的抖動(dòng)），保證在DC中不會(huì)出現(xiàn)誤碼。CDR對(duì)數(shù)據(jù)的跟蹤也不是萬(wàn)能的，如果數(shù)據(jù)中的抖動(dòng)頻率超過(guò)了PLL的環(huán)路帶寬，那么PLL是無(wú)法跟蹤的，數(shù)據(jù)抖動(dòng)就會(huì)傳遞到DC中，可能會(huì)影響到數(shù)據(jù)的提取而產(chǎn)生誤碼。所以CDR的時(shí)鐘恢復(fù)是有范圍的，這個(gè)范圍是有PLL的環(huán)路帶寬決定的。在環(huán)路帶寬能的抖動(dòng)成分能被跟蹤，而超出帶寬的抖動(dòng)是真正影響到誤碼率性能的抖動(dòng)，我們所要考察的串行系統(tǒng)的抖動(dòng)，就是那些不能被PLL跟蹤的抖動(dòng)！所以，在眼圖測(cè)試中，必須要給定CDR的類型，否則盲目的測(cè)試眼圖和抖動(dòng)是沒(méi)有任何意義的。
圖表 5抖動(dòng)測(cè)試目的是發(fā)現(xiàn)在接收端無(wú)法被跟蹤的抖動(dòng)
明確的眼圖測(cè)試的目的和注意事項(xiàng)后，我們就可以根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)規(guī)劃合適的測(cè)試方案：
- 通過(guò)系統(tǒng)的串行速率選擇合適帶寬的示波器
- 根據(jù)串行系統(tǒng)的誤碼標(biāo)準(zhǔn)，制定眼圖模板
- 設(shè)計(jì)測(cè)試使用的CDR模型，正確模擬接收端的抖動(dòng)情況
- 選擇合適的測(cè)試項(xiàng)目，明確測(cè)試目的是以驗(yàn)證為主還是調(diào)試為主
在測(cè)試工具的選擇上，工程師并不是只有實(shí)時(shí)示波器一種選擇。能夠進(jìn)行高速串行系統(tǒng)功能驗(yàn)證和調(diào)試的工具大致有：實(shí)時(shí)示波器（Real Time Oscilloscope）、采樣示波器(Sampling Oscilloscope)、時(shí)間間隔分析儀(Time Interval Analyzer)、誤碼儀(Bit Error Rate Tester)。按照測(cè)試精度、調(diào)試能力、效率以及成本作為考察項(xiàng)目，將上述幾種測(cè)試設(shè)備做簡(jiǎn)單的對(duì)比：
| 測(cè)試精度 | 調(diào)試能力 | 效率 | 成本 | |
|---|---|---|---|---|
| 實(shí)時(shí)示波器 | 中 | 強(qiáng) | 高 | 低 |
| 采樣示波器 | 高 | 中 | 高 | 低 |
| 時(shí)間間隔分析儀 | 高 | 無(wú) | 中 | 高 |
| 誤碼儀 | 高 | 無(wú) | 低 | 高 |
圖表 6各種測(cè)試儀器對(duì)比
在測(cè)試精度方面，采樣示波器較實(shí)時(shí)示波器占有一定優(yōu)勢(shì)，時(shí)基精度可達(dá)200fs，垂直14bitADC，動(dòng)態(tài)范圍大，自身噪底低(具體指標(biāo)請(qǐng)參見(jiàn)文檔2)。因此采樣示波器除了分析抖動(dòng)外，同時(shí)還可以分析噪聲對(duì)串行系統(tǒng)誤碼的影響。但是采樣示波器采必須需要外觸發(fā)，只能觀察周期性、重復(fù)的波形，不具備實(shí)時(shí)示波器靈活的觸發(fā)功能，因此在調(diào)試能力方面，實(shí)時(shí)示波器是其中最強(qiáng)大的。例如Tektronix DSA系列示波器中的串行觸發(fā)，可以觸發(fā)到數(shù)據(jù)流中特定的比特碼型；碼型鎖定功能可以很容易的瀏覽碼型中所有比特；硬件CDR能夠快速的同步數(shù)據(jù)，進(jìn)行眼圖、抖動(dòng)分析。而誤碼儀是專用的誤碼測(cè)試設(shè)備，其測(cè)試精度是最高的。誤碼儀是一個(gè)閉環(huán)的系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比發(fā)送和接收到的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算誤碼。但是誤碼儀測(cè)試的效率很低，如果要測(cè)試置信概率為95％的誤碼率小于1E-12的話，要至少保證在連續(xù)的3E+12個(gè)比特中沒(méi)有誤碼。如果該串行速據(jù)的速度為1Gbps，那么3E+12個(gè)比特意味著要測(cè)試3000秒才能得到結(jié)果，而且這是最樂(lè)觀的估算。時(shí)間間隔分析儀是專用的測(cè)試時(shí)間間隔的儀器，時(shí)間測(cè)試精度高，但是設(shè)備本身帶寬有效，100MHz帶寬的時(shí)間價(jià)格分析儀非常的昂貴。因此，綜合比較下來(lái)，實(shí)時(shí)示波器的綜合能力在所有抖動(dòng)分析測(cè)試工具里面是最強(qiáng)的。