PCIE3.0簡介

那么PCI-E 3.0總線究竟有什么特點？對于其測試有什么特殊的地方呢？我們這里就來探討一下。

制定PCI-E 3代規范的目的主要是要在現有的廉價的FR4板材和接插件的基礎上提供比PCI-E 2代高一倍的有效數據傳輸速率，同時保持和原有1代、2代設備的兼容。別看這是個簡單的目的，但實現起來可不容易。

我們知道，PCI-E 2代在每對差分線上的數據傳輸速率是5Gbps，相對于1代數據速率的兩倍；而PCI-E 3代要相對于2代把速率也提高一倍，理所當然的是把數據傳輸速率提高到10Gbps。但是就是這個10Gbps帶來了很大的問題，因為PC和Server上出于成本的考慮，普遍使用便宜的FR4的PCB板材以及廉價的接插件，如果不更換板材和接插件，很難保證10Gbps的信號還能在原來的信號路徑上可靠地傳輸很遠的距離（典型距離是15～30cm）。因此PCI-SIG最終決定把PCI-E 3代的數據傳輸速率定在8Gbps。但是8Gbps比著2代的5Gbps并沒有高一倍，所以PCI-E協會決定在3代標準中把在1代和2代中使用的8b/10b編碼去掉。

我們知道，在PCI-E 1代和2代中為了保證數據的傳輸密度、直流平衡以及內嵌時鐘的目的，會把8bit數據會編碼成10bit數據傳輸。因此，5Gbps的實際有效數據傳輸速率是5Gbps×8b/10b＝4Gbps。這樣，如果在PCI-E 3代中如果不使用8b/10b編碼，其有效數據傳輸速率就能比 2代的4Gbps提高1倍。但是這樣問題又來了，數據如果不經編碼傳輸很難保證數據傳輸密度和直流平衡，接收端的時鐘恢復電路也很容易失鎖。為了解決這個問題，PCI-E 3代里面采用了擾碼的方法，即數據傳輸前先和一個多項式進行異或，這樣傳輸鏈路上的數據就看起來就比較有隨機性，到了接收端再用相同的多項式把數據恢復出來。

通過上述方法，PCI-E 3代就可以用8Gbps的傳輸速率實現比2代的5Gbps高1倍的數據傳輸速率。實際應用中PCI-E 3代的總線上也仍然有數據編碼，不過采用的是128b/130b的編碼，編碼效率很高，由此損失的總線有效帶寬比8b/10b編碼小多了。

PCI-E 3.0 發送及接收端的變化

但是問題遠沒有結束，即使數據速率只有8Gbps，要在原有的廉價PCB和接插件上實現可靠傳輸也還要解決一些新的問題。其中最大的問題是信號的損耗，FR4板材對信號高頻成分有很大衰減，而信號速率越高，其高頻成分越多，所以衰減也就更厲害。下圖是不同速率的信號經過10英寸的FR4板材的PCB傳輸以后信號的眼圖，我們可以看到8Gbps的信號在接收端基本上看不到眼圖了，更不要說進行有效的數據接收。

為了解決這個問題，在PCI-E的1代和2代中使用了去加重（De-emphasis）技術，即信號的發射端（TX）在發送信號時對跳變bit（代表信號中的高頻成分）加大幅度發送，這樣可以部分補償一下傳輸線路對高頻成分的衰減，從而得到比較好的眼圖。PCI-E 1代中采用了-3.5db的去加重，PCI-E 2代中采用了-3.5db和-6db的去加重。而對于3代來說，由于信號速率更高，需要采用更加復雜的去加重技術，因此除了跳變bit比非跳變bit幅度增大發送以外，在跳變bit的前1個bit也要增大幅度發送，這個增大的幅度通常叫做Preshoot。下圖是PCI-E 3代中采用的預加重技術對波形的影響的例子（參考資料：PCI Express® Base Specification 3.0 ）。

為了應對復雜的鏈路環境，PCI-E 3代中規定了共11種不同的Preshoot和De-emphasis的組合，每種組合叫做一個Preset，實際應用中Tx和Rx端可以在Link Training階段根據接收端收到的信號質量協商出一個最優的Preset值。下圖是11種Preset的組合（參考資料：PCI Express® Base Specification 3.0）。比如P4代表沒有任何預加重，P7代表最厲害的預加重。

那做了這些工作就夠了嗎？經過實驗發現，僅僅在發送端對信號高頻進行補償還是不夠，于是PCI-E 3代標準中又規定在接收端（RX端）還要對信號做均衡（Equalization），從而對線路的損耗進行進一步的補償。均衡電路的實現難度較大，以前主要用在通信設備的背板或長電纜傳輸的場合，現在也逐漸開始在計算機領域應用，比如USB3.0中和SATA 6G中也采用了均衡技術。下圖是PCI-E 3.0里對均衡器的頻響特性的要求。我們可以看到均衡器的強弱也有很多檔可選，在Link Training階段TX和RX端會協商出一個最佳的組合（參考資料：PCI Express® Base Specification 3.0）。

經過各種信號處理技術的結合以及大量的實驗，PCI-E 3.0總算初步實現了在現有的FR4板材和接插件的基礎上提供比PCI-E 2代高一倍的有效數據傳輸速率。但我們同時也看到，PCI-E 3代的芯片會變得更加復雜，系統設計的難度也也更大。如何保證PCI-E 3代總線工作的可靠性和很好的兼容性，就成為設計和測試人員面臨的嚴峻挑戰。