EP Basics: PCI Express 4.0 debuggen Mit BERT und Oszilloskop auf Fehlersuche gehen

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Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) ermöglicht Geschwindigkeiten bis 16 Gigatransfer pro Sekunde. Um Fehler auf der Busleitung zu detektieren, kommen sowohl der Bit Error Rate Test (BERT) und ein Oszilloskop zum Einsatz.

Die Standardspezifikation für PCI Express 4.0 erfordert ein Oszilloskop mit einer analogen Bandbreite von mindestens 25 GHz und einen BERT (Bit Error Rate Test). Letzterer muss in der Lage sein, Bitraten von mindestens 16 GBit/s zu testen. Der BERT versorgt das zu testende PCIe-Gerät (DUT) mit einem definierten Eingangsmuster. Dazu wird das DUT angewiesen, das identische Bitmuster zu regenerieren, während es sich im Loopback-Modus befindet.

Signal aus dem BERT in das Oszilloskop

Das BERT gibt immer dann ein Signal aus, wenn ein Bitfehler erkannt wurde. Das Signal kann dann in das Oszilloskop eingespeist werden. Tritt ein Fehler auf dem PCIe auf, kann das Signal synchron erfasst werden. Durch die geschickte Kombination von Oszilloskop und BERT hat der Entwickler eine Echtzeit-Fehlererkennung und kann das Signal gleichzeitig charakterisieren.

Bild 1 zeigt ein bekanntes Signalmuster vom Ausgang des BERT PPG D1 über das 2,92-mm-K-Kabel, das mit dem Eingang des PCIe-Prüflings verbunden ist. Der Prüfling verwendet dasselbe Datenmuster, während der Ausgang des Prüflings sowohl mit dem Eingang des BERT-Fehlerdetektors als auch mit dem Oszilloskop-Kanal 1 über 2,92-mm-K-Leitungen und einen Leistungsteiler verbunden ist.

Ein fehlerfreies Referenzsignal ist zwischen dem Ausgang D2 des BERT sowie dem Oszilloskop-Kanal 2 und das Fehlertriggersignal vom Fehlerdetektorausgang mit dem Oszilloskop-Kanal 3 verbunden. Ein Oszilloskop-Flankentrigger wird durch die steigende Flanke des Fehlerdetektor-Ausgangssignals an C3 ausgelöst.

Mit welchen Methoden sich Fehler erkennen lassen

Zur Bestimmung der Jitter-Toleranz eines PCIe-Gerätes werden vom BERT kontrollierte zufällige und sinusförmige Jitter in das Signal eingefügt. Irgendwann wird der Prüfling wahrscheinlich nicht mehr in der Lage sein, das gleiche Muster an seinem Ausgang zu wiederholen, was zu einem Bitfehler führt.

Wie in Bild 2 dargestellt, triggert das Oszilloskop den Ausgang des Fehlerdetektors und erfasst alle drei Wellenformen. Mit einer Mathematikfunktion des Oszilloskops wird die fehlerfreie PCIe-Referenzwellenform (rosa C2) von der PCIe-Wellenform mit potenziell fehlerhaften Bits (gelb C1) subtrahiert, um eine Fehlerflag-Wellenform (grün F4) zu erzeugen. Da das grüne Signal die Differenz zwischen dem potenziell fehlerhaften Signal (gelb) und dem fehlerfreien Referenzsignal (rosa) ist, zeigt das grüne Signal im Idealfall eine flache Linie und damit, dass kein Fehler aufgetreten ist.

Wenn ein Bitfehler auftritt

Tritt allerdings ein Bitfehler auf, führt die Differenz zwischen den beiden Wellenformen zu einem Fehlerflag, da sich eine Wellenform während der Bitperiode in einem hohen und die andere in einem niedrigen Zustand befindet. Das in Bild 2 gezeigte Fehlerflag wird dadurch verursacht, dass die gelbe Messkurve eine logische 1 anzeigt, während die Referenzmesskurve an der gleichen Zeitposition eine logische 0 anzeigt. Ein Zoom auf das Fehlerflag (grünes Z4) zeigt visuell an, wo der Bitfehler auftritt.

Das Fehlerflag gibt die genaue zeitliche Position des aufgetretenen Bitfehlers an, die durch Messung der Zeit zwischen dem Auslösen des Fehlerdetektors und der Flanke des Fehlerflags (P2) quantifiziert werden kann. Mit der genauen Identifikation der zeitlichen Fehlerposition und der Möglichkeit des Oszilloskops, andere Wellenformen zu erfassen, kann die Fehlerquelle mit anderen Signalen korreliert werden. Dann hat der Entwickler die Möglichkeit, die genau Ursache des Fehlers zu analysieren.

Durch die Kombination aus BERT und damit Daten in Echtzeit zu streamen sowie mit dem Oszilloskop die Details der Wellenform beim Auftreten des Ereignisses zu erfassen und anzuzeigen ist es möglich, die genaue Fehlerstelle zu identifizieren und anzuzeigen.

* Mike Hertz ist Anwendungstechniker bei Teledyne LeCroy.

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