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。
延伸閱讀
匯流排協定測試解決方案總覽 > 翔宇科技代理了各種匯流排協定測試解決方案，包括：PCIe、NVMe、CXL、Serial Attached SCSI、Serial ATA、Fibre Channel、Ethernet、MIPI M-PHY、 UniPro、UFS、A-PHY、I3C、USB、CAN、I2C、SPI、eSPI 等測試工具。
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