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2021-04-13 PCIe Gen5 協定分析儀發佈

什麼是PCIe?

Peripheral Component Interconnect Express,簡稱PCIe,是一種高速電腦匯流排, 為不同配件連接的標準。

PCIe可以使電腦的CPU與內存可以連接到其他外部配件,而其本身作為一種高速傳輸接口,可以包括PCI與ISA (Industry Standard Architecture) 在內並行的匯流排。 透過點對點存取,與前一代產品相比速度有明顯提高。 PCI匯流排有32位元與64位元兩種版本,而AGP (Accelerated Graphics Port) 是專門針對頻寬需求超過PCI匯流排所能夠提供的GPU連接所設計的,至今,兩種接口基本上已經被PCI Express所取代。

在二十一世紀初,內部硬體與外部設備計算頻寬需求提高,使得新一代PCI營運而生,與傳統PCI相比,PCIe最大的優勢在於他利用串列介面(
utilizes a serial interface) ,而不是PCI的並行介面,另外一個優勢是使用獨立匯流排而非並行的模式。

透過多通道連接的方式,傳輸速度進一步增強,依照連接數定義,每增加一個通道(x1 ~ x16),傳輸量就對應增加。

目前PCIe標準已經被廣泛接受與普及,各種外部配件已經採用PCIe介面,包括USB、藍牙與GPU等, GPU與外部儲存配件就是實現在PCIe架構上的例子,PCIe體現了圖形處裡與電腦效能增進優勢。


PCIe架構

與PCI相比,PCI Express架構在傳輸速率上有相當大的突破,且在後續更新版本也有顯著的提升。 傳統PCI使用Common Address、Data與Control Lines,而在PCIe中透過點對點、提供獨立鏈路的方式避免了互相影響。

PCIe透過封包 (Packet)的方式進行傳輸,PCIe傳輸層處裡負責封包解析。 而也因訊號差異,PCI與PCIe插槽並不兼容。



PCIe規格與版本

PCIe開發出多種規格,命名方式有所不同,了解PCIe規格與版本是否相容於系統相當重要。

PCIe版本

2002年從PCIe 1.0以來,為了滿足更多頻寬增長的需求,持續推出新的版本,PCIe 1.0為2.5GT/s,直至現今2019年發布PCIe5.0為32GT/s,再加上性能改善,與新功能補充,顯著提高了PCIe於運用上的能效。

但也因每隔幾年就翻倍頻寬,再加上CPU、內存亦快速增加的挑戰,生產開發過程的除錯工具也變得至關重要。

PCIe大小

所有PCIe Express板卡大小與針腳數由連接的通道數決定。 與PCI不同,PCIe板卡可安裝在各種尺寸的插槽中,只要板卡不小於插槽即可適用,如X1可插上X1、X4、X8、X16插槽。 若是插槽有預留空間,也可以反過來將X16板卡插入X4插槽,當然如此一來實際運作的頻寬也僅X4。

至於可以在PCIe板卡上的頻寬,會由CPU或主機板上的PCIe控制器來定義,如CPU於PCIe控制器為PCIe 4.0版,則PCIe 5.0的板卡也只能以4.0版板卡運行。


PCIe測試挑戰

於早期PCIe 1.0時,可用頻寬僅8GB/s,隨著疊代速度加倍,將PCIe 5.0速度提高到最高X16通道達128GB/s。 隨著頻寬增加,除了訊號、走線外,PCIe標準上的相容也非常重要。

PCIe和NVMe

NVMe是專門建立於PCIe之上而開發的固態儲存標準,NVMe利用PCIe架構,獲得了兩倍於12Gbps SAS接口的讀寫速度。 再加NVMe不需要使用傳統的I/O控制器,而是通過PCIe利用與CPU直接連接,有效地組合PCIe與NVMe。 因此,能夠在大頻寬下精確解碼的PCIe/NVMe測試設備即相當重要。

另外,NVMe over Fabrics (NVMe-oF)也會在NVMe儲存端與主機端增加更多的測試挑戰,包含跨多標準範圍,同時又要達到10µs或更低的延遲要求,雖然NVMe-oF標準本質上與NVMe類似,但傳輸機制在分析上增加了更多的複雜性,於此階段的測試設備,要能夠符合NVMe主機端至設備端包含PCIe、Ethernet、Fibre Channel、Jammer(錯誤注入測試)等需求。
 

PCIe 4.0

PCI Express 4.0於2017十月發布,除了提高速度與頻寬外,還有lane margin與低延遲等進步。 為了要額外提供功能,例如Extended tag、credit、 I/O virtualization等優化,使得測試與錯誤分析更加複雜與困難,也因為高速頻寬,使得大量訊號分析與大容量的測試設備內存條件都不可或缺。

PCIe 5.0 與 CXL

2019年5月發布PCIe 5.0,快速地疊代使得開發週期顯著加速,除了速度頻寬加倍,也有重大的架構更改。 延續了PCIe 4.0的128/130b編碼格式與NRZ訊號,也為了加強兩倍速度提升,電子訊號設計強調了訊號完整性與EQ(equalization),這種大量I/O性能使得PCIe 5.0成為400G以太網於雲運用上的絕佳選擇,也相當程度地挑戰測試設備於訊號處理的能力。

CXL (Compute Express Link) 隨PCIe 5.0發布,如NVMe,CXL是在PCIe上定義另外一組標準,最大差異在於對目標端記憶體的運用,用來降低儲存時間的延遲,將原本PCIe透過DMA (Direct Memory Access) 傳輸約500ns的瓶頸,透過CXL於記憶體的運用,可降低到150ns。 CXL三種模式中,CXL.io與傳統PCIe類似,而CXL.cache提供裝置端取用主機端的記憶體,CXL.mem提供主機端取用裝置端記憶體,後兩者透過CHA模式 (Caching Home Agent) 建立類似記憶體延伸的方式,降低原本DMA模式須橫跨多元件的延遲時間。

由於架構改變與更多建立於PCIe 5.0上的協定,更加超越先前PCIe 4.0的測試挑戰,使得協定分析儀於開發過程中的腳色更加不可或缺。

PCIe 測試設備價值

從PCIe1.0發布以來,透過開發各式各樣的PCIe測試設備與軟體,有效地讓PCIe測試挑戰都能夠被滿足。 PCIe的測試工具,目標在於準確的量測性能、快速檢測問題與模擬多樣條件,來提供穩定又全面的分析,再加上能滿足更加創新的協定與複雜條件,讓PCIe測試設備成為更重要的選擇。

PCIe透過 LTSSM (Link Training and Status State Machine) 機制進行連線,總共包含11個States與更多Substates,狀態之間的切換已無法透過傳統分析的模式進行,透過PCIe測試設備,可以更加直觀方便地顯示狀態與發送TS (Training Sequences) 封包的關聯。

也因為PCIe創新的功能,使得主機與裝置之間的相容性更加複雜,例如 Unsupported Request (UR) 等機制,可透過協定分析設備直接檢視相容性資訊,或是快速找出Advanced Error Reporting(AER) 與相關的Uncorrectable Errors和Correctable Errors 問題,與簡便的標準文件說明。

PCIe 5.0協定分析儀 能詳細檢視流量與鏈路性能,同時滿足傳輸速度與儲存容量,還實現了其他產品無法達到的即時流量顯示與錯誤模擬功能。 不僅如此,還要能夠持續更新與新增分析功能與報告產出,讓PCIe開發與除錯都能夠獲得高效率服務。


PCI-SIG

The PCI Special Interest Group (PCI-SIG)作為確保PCIe系統操作時的完整性與規範測試定義標準,目前有超過800個成員,依據PCI-SIG規範來進行產品開發,這些標準定義對組織成員開放。 PCI-SIG也提供PCIe完整性測試研討會,可以對產品透過設備進行各項綜合測試。

PCI-SIG規範Electrical Testing、Configuration Testing、Link Protocol Testing、Transaction Protocol Testing 與Platform BIOS Testing。 如同資料傳輸增加外,鏈路拓樸也更加複雜。 因此會透過模擬方式且對訊號完整進進行優化來評估PCIe鏈路,也可以在物理層協定來驗證封包傳輸是否可靠,而驗證不預期錯誤與完整性,亦可在傳輸層協定測試。


PCIe測試工具

隨著PCIe發展,對應的測試設備也要不斷創新以滿足更加複雜的需求。 也因為測試難度提高,因此選擇功能豐富且耐用的測試設備就更加重要,同時亦要考量培訓服務與認證功能等,再加上要注意產品對應的PCIe接口相容性,與配對的不同協定時,使用多設備關聯之考量。

錯誤模擬與注入(Jammer)

Jammer意旨干擾通訊線路,可以即時變更實際封包進行錯誤模擬。對於PCIe測試,Jammer就是一種錯誤注入工具,可以模擬真實情境來縮短測試週期,透過自動化測試腳本,可以重現與模擬多種形態的測試場景。

Xgig Solution提供Jammer功能,可透過條件來控制測試過程,提供精確的封包修改,與全面性的覆蓋測試,並且能配合PCIe分析,加上便利的觸發條件,準確分析錯誤注入對實際設備產生的效果進行檢視。
 

分析儀(Analyzer)

協定分析儀已經是PCIe開發過程中通用的測試工具,提供實際PCIe通道上的各種封包量測與監控,加上觸發、過濾與錯誤報告等功能,可提供快速分析與錯誤檢測功能。

Xgig高規格的分析儀提供良好的訊號抓取與流量檢視,再加上方便的分段儲存功能,提供業界最高度彈性的儲存空間利用。 Xgig分析儀提供同時進行錯誤模擬注入與協定封包抓取,操作時亦可兼容所有PCIe鏈路通道規格。 也提供各層顯示的錯誤警報功能等。

軟體

為了滿足PCIe開發測試過程中的各種需求,Xgig提供豐富軟體功能,根據開發的標準與過程,快速且高效率的提供解決方案。 其中Xgig提供專業分析軟體,提供方便介面檢視數據分析、調教與故障排查,透過自動化分析與簡便操作流程,可減少PCIe大頻寬之下大量數據分析的壓力。


PCIe故障排除

要對PCIe進行故障排除相當具有挑戰,需要透過合適的PCIe測試工具進行。 其中關鍵包括完整取得高流量封包與了解常見問題。 包含速度問題、訊號調適(EQ, Equalization)、通道問題與品質問題等。 可以透過錯誤報告功能,針對抓取到的封包內容比對標準定義進行特徵分析,快速錨定問題如Timeout或傳輸中斷等條件。

PCIe分析儀必須要搭配有效的故障排除工具,才能對於大量封包的情境進行分析;另外,準確的觸發條件與過濾功能,也能提高故障排除效率。


PCIe未來發展

隨著PCIe 5.0發布,為PCIe開拓了更多可能性,就如同PCIe 4.0版本,新版本除了頻寬加倍外,也在不同層片進行創新,又能同時兼容PCIe 4.0與PCIe3.0,因此主板與對應的接口也面臨跨版本的相容性問題。 Xgig於PCIe設計過程中,將此問題納入考量,提供相當程度的軟硬體整合與相容,讓Xgig方案能夠適應於市場上各式各樣的PCIe產品。

PCIe 6.0也預計要在2021年發布,將提供驚人地256GB/s的雙向頻寬與64GT/s速路,來滿足機械學習、人工智能與其他新興尖端科技的需求,因此在解決方案上,VIAVI也盡可能的在性能方面提供更多的突破。
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