PCIe 均衡技术介绍（概要）

2022-11-10 1719

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简介： PCIe 均衡技术介绍（概要）

1. PCIe 均衡技术介绍（概要）

1.1 信号均衡概念及意义

信号从发送端发出，经信道传输，到达接收端。在传输过程中，信号会发生失真，影响接收端对信号的正确判决。影响接收端接收信号质量的因素很多，比如传输速率，电磁干扰，信道质量等等。信号失真越严重，误码率 BER 越高，从而影响通信性能。

为了在接收端获取到易于判决的优质信号，可以在发送端、传输链路途中或者接收端信号判决之前对信号进行调理改善，从而减小信号失真对通信性能的影响。这种对信号的调理，称作信号补偿，或称均衡。

图 1 是不采用均衡与采用均衡接收端接收信号对比图，可见，采用均衡后，信号质量得到了较大改善，更容易接收端做出正确判决。

▲ 图 1: 接收端接收信号无均衡 vs. 有均衡

1.2 信号补偿技术

随着传输速率的提升，信号传输过程中趋肤效应及介质损耗越来越严重。为了在接收端正确恢复出发送的信号，需要对信号进行补偿。

PCIe 信号补偿三大技术：发送端预加重（Pre-emphasis）、去加重（De-emphasis）和接收端均衡（Equalization）。预加重、去加重也被称为发送端均衡。各技术基本原理如图 2 所示。

▲ 图 2: 预加重、去加重、接收端均衡原理

无源传输线路像是一个低通滤波器，PCIe 高速串行信号经信道从发送端传输到接收端后，其高频分量比低频分量衰减要大，而高频分量主要集中在信号的上升沿及下降沿。为了补偿这种高频衰减，在信号发送的时候，有意增强信号跳变沿的信号幅度，增高高频分量，即信号预加重；相比于预加重的方案，去加重则是降低跳变沿之外的信号幅度，削弱低频分量，同样能够达到目的。

接收端均衡器相当于高通滤波器，来补偿失真的波形。

1.3 均衡系数协商

2.5 GT/s 及 5 GT/s 时，只在发送端进行固定参数的去加重均衡，无需进行均衡参数协商。传输速率上升至 8 GT/s 及以上后，收发端均衡更加复杂，收发端之间需要协商均衡系数，以获得最佳传输性能。收发端在链路训练的 Recovery.Equalization 状态进行均衡系数协商。整个 EQ 过程包括 4 个过程，称作 4 个 Phase。当速率为 8 GT/s 及以上时，EQ Phase 信息存放在了 TS1 的 EC 字段（Symbol 6，bit 0~1）。

1.3.1 Phase 0

Phase 0 发生于协商下一 EQ 速率但未进入下一速率之前。Phase 0 期间 USP 回传 Preset 及 Coefficients 给 DSP。DSP 没有 Phase 0。

1.3.2 Phase 1

PCIe 双方在 Phase 1 阶段通过互发 TS1 交换LF (Low Frequency，symbol7)、FS (Full Swing，Symbol 8) 、Post-cursor (Symbol 9) 进行均衡器的粗调，以获得 BER≤10-4的误码性能。

DSP 给 USP 发送 EC=10b 的 TS1 来发起到 Phase 2 的跳转。

1.3.3 Phase 2

Phase 2 时，USP 作为 Master，调节 DSP 的 Tx 系数，具体可分为 Preset 调节及 Coefficient 调节。USP 在每条 Lane 上独立调整 DSP 的 Tx 设置及其自身（USP）的 Rx 设置，以确保 USP 能接收到符合要求的比特流（比如每条有效 Lane 上获得 BER≤10-12 的误码率）。

DSP 建议其 Tx 系数及其使用的 Preset 值，在 Phase 1 阶段仅采用 Preset，在 Phase 2 采用 Preset 及 Tx 系数。USP 收到 TS1 后有可能会请求一组不同的系数或 Preset 设置，然后进行进一步评估，直到得到最优的设置。

USP 完成 Phase 2 后，给 DSP 发送 EC=11b 的 TS1 进入 Phase 3。

1.3.4 Phase 3

Phase 3 时，DSP 作为 Master，调节 USP 的 Tx 系数。DSP 在每条 Lane 上独立调整 USP 的 Tx 设置及其自身（DSP）的 Rx 设置，调整方式与 Phase 2 相似。DSP 发送 EC=00b 的 TS1 来标志 Phase 3 及 EQ 的结束。

以上四个 Phase 中，Phase0/1 采用 Preset 粗调，Phase2/3 精调。如果粗调阶段就达到了信号质量需求，也可以不进行精调。

除非有特别配置，8 GT/s 以上速率时必须进行 EQ，至少在最高速率上要进行 EQ，中间速率可以跳过 EQ。当然仿真的时候可以设置 bypass_eq，或者设置 bypass_eq_to_highest_rate，仅在最高速率时进行 EQ。比如最高支持 32 GT/s，那么在 8 GT/s，16 GT/s 的时候可以跳过 EQ。从 32GT/s 降速时，需要重新进行链路训练并做 EQ。

注意：Phase 2 及 Phase 3 中，DSP/USP 到底是谁作为 Master 调节谁的 Tx ？有些文章解读跟本文相反，读者请查看 PCIe 官方 Spec，来判断谁对谁错。