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二十年前，PCI-SIG組織首次定義了PCIe標準。PCIe的引入旨在實現CPU與外圍組件之間的高速串行通信。自2003年以來，為適應現代計算機的帶寬需求，PCIe標準幾經迭代。PCIe最初作為一種串行接口引入，用于替代眾多主板架構使用的并行總線，但PCIe擁有一項獨特特性：通道數量可從1個擴展至32個。借助這一并行總線特性，PCIe兼容設備之間可以根據數據傳輸要求，建立寬度為1個、2個、4個、8個、16個甚至高達32個通道的鏈路。

隨著數據傳輸速率的不斷增加，物理層協議的復雜性也與日俱增，以確保在符合PCIe規范基本原則的同時（包括通道寬度靈活性和向下兼容“傳統”設備，即使用早期版本PCIe開發的設備），實現高效的數據傳輸。例如，使用PCIe Gen4 規范開發的設備必須向下兼容早期版本PCIe（如Gen1和Gen2）開發的設備。

先來回顧一下今年的泰克云上大講堂—PCIe測試面面觀

本期應用指南則說明講述了如何使用泰克TMT4 PCIe性能綜合測試儀提供的高級鏈路訓練狀態機（LTSSM）監視信息。借助這一高級功能，結合硬件觸發輸入/觸發輸出功能，用戶可以根據PCIe狀態機的描述，識別物理層與數據鏈路層交互中的異常。

LTSSM監視器可就TMT4 PCIe性能綜合測試儀在與被測設備（DUT）交互過程中實現的各種狀態提供相關信息（無論是作為根復合體（RC）還是端點 （EP））。

實際調試流程可能包括以下一個或多個步驟：

■A. 檢驗DUT能否按照PCIe規范或“允許的轉換”中的序列，在可用狀態間進行轉換。

■B. 如果DUT沒有按照預期序列轉換狀態，確定DUT最后已知的正常運行狀態。

■C. “可疑”狀態或轉換被隔離后，用戶可以選擇在進入特定狀態時，通過發出硬件觸發輸出，在示波器上捕獲數據。

PCI Express架構和鏈路訓練的必要性

盡管PCIe為點對點協議，但數據源與目標之間的交互有著明確的層次結構。PCIe系統由大量點對點接口組成，通過一個基礎架構或Fabric接口連接多個外圍設備和模塊。主CPU（或處理器子系統）位于頂端，通過適當的用戶接口連接到一個RC。此RC是頂層PCIe互連組件，通常連接主內存，CPU通過RC訪問主內存。PCIe接口直接或通過一個交換器連接RC（圖 1）。

圖1. PCIe層次結構

每個互連都有一個下行鏈路（來自上游組件，如 RC）和一個上行鏈路（來自下游組件，如上行鏈路（來自下游組件，如EP）。最典型的RC設備包括 PC 主板或嵌入式系統控制板。對于EP，顯卡或網絡接口卡等設備可通過交換器連接RC，這有助于擴展規范內的可尋址設備數量。EP設備也可直接與RC通信，如圖1所示。通常，這種通信并非100%的直接通信，而是在RC與EP設備之間插入一個信號調節設備（一個重定時器，或一個重驅動，圖2），以確保信號質量，補償高速傳輸下的信號質量損失。

PCIe規范建立了鏈路訓練過程，用于確定給定通道是否適用于接口支持的各種數據速度傳輸，有多少這樣的通道可用，以及物理層的各種其他因素，從而確定特定PCIe設備是否有可以配對的鏈路伙伴。

圖2. 重定時設備的PCIe物理層連接

PCIe中如何建立和監控鏈路？

當對所有設備（至少一個RC和一個或多個EP）供電并提供參考時鐘，PCIe設備就會開始鏈路訓練。整個鏈路訓練過程包括接收器檢測、輪詢、配置和恢復。這一過程中，可以通過觀察“LTSSM狀態”確定鏈路狀態。如PCIe規范所述，共有十一個頂層狀態，每個狀態進一步細化，包含多個子狀態。

圖3. 鏈路訓練狀態機

總結

?PCIe鏈路狀態由鏈路訓練和狀態機（LTSSM）定義。從初始狀態開始，狀態機經歷一系列主狀態（檢測、輪詢、配置、恢復），訓練和配置鏈路，直到完全進入鏈接狀態（L0）。

?其他狀態還包括電源管理狀態“Lx”，一種用于測試和調試的“回環”模式，或“熱重置”狀態，用于使鏈路返回初始狀態。禁用狀態是針對經配置暫停通信的鏈路。

?初始狀態通常由數據鏈路層確定，但一般來說，PCIe鏈路的默認初始狀態為“檢測”。

泰克TMT4 PCIe性能綜合測試儀用戶界面可顯示狀態機示意圖，如上圖所示，當選擇發起LTSSM監控測試時，可以看到它進入各種狀態的實時進度。

圖4. LTSSM測試配置

LTSSM監控可以手動發起，或在發出有效的硬件觸發輸入信號時發起。此外，當發生與LTSSM狀態相關的選定事件時，可以生成觸發輸出信號（圖4）。測試完成后，測試結果存檔（*.zip)中將包含觀察到的 LTSSM 狀態日志。

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TMT4作為鏈路伙伴

TMT4 PCIe性能綜合測試儀是一款符合PCIe規范的靈活儀器，既可作為RC設備，也可配置為支持PCIe Gen3和Gen4速度的EP設備。與DUT建立連接的關鍵在于選擇正確的適配器配置。

例如，當擴展卡（AIC）是DUT時，TMT4 PCIe性能綜合測試儀為RC設備（圖5）。

圖5. TMT4作為RC設備

而當對典型的RC設備進行評估時（如計算機主板），TMT4將作為EP設備與DUT進行交互（圖6）。

圖6. TMT4作為EP設備

深入了解鏈路訓練過程

當PCIe設備開啟鏈路訓練過程時，鏈路兩端之間會進行雙向數據交換。隨著測試數據和模式（TS=訓練集）從鏈接的一端發送到另一端，接收端會響應發送端，并在從一個狀態進入下一個狀態時切換發送和接收數據的角色（圖7）。

圖7. RC與EP之間的鏈路訓練序列

執行LTSSM監控測試時，日志始終會從TMT4 PCIe性能綜合測試儀的視角記錄達成的狀態。

使用TMT4監控鏈路訓練狀態機

在鏈路訓練過程中，DUT與TMT4之間的交互包括生成各種測試模式，使DUT從初始的檢測狀態，經過輪詢和配置狀態，最終達成L0狀態，這表明RC設備與EP可以成功通信。

?對于正常/有效鏈路（如下方LTSSM測試結果中所示），TMT4是作為RC設備運行。正常運行條件下，鏈路訓練過程中的DUT和鏈路伙伴都處于L0狀態，只有在鏈路配置的任何重要物理層屬性發生變更時才會轉換到其他狀態，如通道寬度，鏈路速度或通道反轉等。

當顯示.csv格式的LTSSM日志數據文件時，用戶可依據DUT的有關信息確定LTSSM狀態的序列，判斷是否嚴重偏離預期流程。

在這個示例日志中，有三個實例的DUT達成L0狀態（如在TMT4上所見）：

?第一個，達到基本的PCIe Gen1速度和“四通道”（×4）寬度，從檢測狀態轉換為輪詢狀態，最后進入配置狀態。

?第二個，從PCIe Gen1（2.5Gt/s）轉換為PCIe Gen3（8GT/s），首先進入恢復狀態，然后進行鏈路均衡。

?第三個， 從PCIe Gen3（8Gt/s） 轉 換 為PCIe Gen4（16GT/s），同樣是首先進入恢復狀態，然后進行鏈路均衡。

從以上三個實例來看，所有連接的PCIe設備都經歷了初始鏈路訓練過程，以建立基本功能（第一步），然后進行額外的鏈路均衡，以在設備之間建立穩定可靠的連接（第二和第三步）。當PCIe鏈路中的所有設備都支持PCIe Gen 3或更高的數據速率時，就會進行鏈路均衡。由于高于Gen 3的每一代PCIe連接都需要優化（鏈接），鏈路均衡可能發生多次，從最小通道寬度（×1）開始，如果成功，逐步擴展到最大可用通道數。

當然，也可能有其他情況，例如觀察到一個或多個狀態轉換并不能表明DUT正常運行。

例如，以下日志源于一塊無法達到16通道Gen4數據傳輸速率的主板DUT，因此發起了一個下行鏈路過程，最終在Gen3 (8Gt/s) 的速度下穩定在16通道。

DMI是在已知損耗的通道上測量的，該通道代表物理通道。ISI/DMI/SJ共同用于以確定性方式設置EH和EW。

在第一個藍色箭頭處，DUT退出均衡過程，直接返回“預檢測靜默”配置（可能是受數據鏈路層指示，并非預期的PCIe行為）。

?在第二個藍色箭頭處，DUT使用正常的鏈路均衡過程，使所有16個通道都達到Gen3速度，在達成L0狀態前進入恢復空閑狀態。

?然而，在第三個藍色箭頭處，DUT似乎無法在一個或多個通道上繼續均衡過程，并直接從恢復接收器配置跳到L0狀態，表明可能與Rx設置不匹配（并未受數據鏈路層指示返回檢測狀態）。

為了更好地理解Tx與Rx設置之間的交互，這種情況下LTSSM監視器可以就異常行為提供可能的原因分析。其他LTSSM功能還包括使用硬件觸發信號開始和停止實時示波器的模擬數據收集。

｜結論｜

泰克TMT4 PCIe性能綜合測試儀作為穩定可靠的鏈路伙伴，可觀察鏈路訓練和均衡過程中的LTSSM狀態，并支持使用硬件觸發信號獲取波形，提供關于鏈路狀態的準確信息，從而解決可能的鏈路不一致問題。

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