この 資 料 に 掲 載 されているオシロスコープ 画 面 はAgilent Infiniium 90000Aシリーズをベースとした 執 筆 時 点 のもので お 手 持 ちのオシロスコープの 画 面 と 異 なる 場 合 があります また ご 紹 介 している 機 能 はオプ ションによるものを

Agilent Technologies PCI Express 信 号 評 価 ハンドブック ( 第 1 版 2012 年 6 月 ) このドキュメントは 検 討 用 のサンプルです その 内 容 は 配 布 版 からの 抜 粋 で 構 成 されて おり すべてのページは 含 んでいません

この 資 料 に 掲 載 されているオシロスコープ 画 面 はAgilent Infiniium 90000Aシリーズをベースとした 執 筆 時 点 のもので お 手 持 ちのオシロスコープの 画 面 と 異 なる 場 合 があります また ご 紹 介 している 機 能 はオプ ションによるものを 含 みます PCI-SIG, PCIe and the PCI Express are US registered trademarks and/or service marks of PCI-SIG. 2

目 次 Page 5 はじめに( 本 書 の 目 的 と 対 象 読 者 ) 7 第 1 章 PCI Express 信 号 の 基 礎 7 1-1. PCI Express 信 号 の 概 要 8 1-2. PCI Express 関 連 仕 様 と 信 号 規 格 9 1-3. 設 計 時 の 注 意 事 項 11 第 2 章 PCI Expressの 信 号 品 質 評 価 11 2-1. 信 号 品 質 評 価 の 目 的 11 2-2. コンプライアンス 試 験 とは 12 2-3. PCI-SIGの 公 式 試 験 内 容 13 2-4. プリ コンプライアンス 試 験 13 2-5. まとめ 15 第 3 章 Gen1/Gen2 CEMアドイン カードの 信 号 品 質 評 価 15 3-1. 概 要 15 3-2. 必 要 機 材 18 3-3. 必 要 アクセサリ 類 19 3-4. 測 定 前 の 準 備 25 3-5. DUTの 接 続 27 3-6. 測 定 の 実 施 ( 共 通 ) 30 3-7. 測 定 の 実 施 (Revision 1.1 仕 様 のアドイン カードの 場 合 ) 35 3-8 測 定 の 実 施 (Revision 2.x 仕 様 のアドイン カードを2.5GT/sで 評 価 する 場 合 ) 40 3-9. 測 定 の 実 施 (Revision 2.x 仕 様 のアドイン カードを5GT/sで 評 価 する 場 合 ) 45 3-10. 結 果 の 保 存 46 3-11. 公 式 試 験 の 必 要 機 材 と 手 順 第 4 章 Gen1/Gen2 CEMのマザーボードの 信 号 品 質 評 価 ( 第 2 版 以 降 で 追 加 予 定 ) 第 5 章 組 込 みボードでのPCI Express 信 号 品 質 評 価 ( 第 2 版 以 降 で 追 加 予 定 ) 53 付 録 A. チャンル 間 スキューの 確 認 方 法 54 付 録 B. アジレントN5393Cの 詳 細 設 定 3

はじめに ( 本 書 の 目 的 と 対 象 読 者 ) PCI Express 技 術 は 今 や 幅 広 く 普 及 し 前 身 のPCIバスが 幅 広 く 利 用 されたのと 同 様 に 様 々な 機 器 に 採 用 されています このためエンジニアの 皆 様 はPCI Express 技 術 を 採 用 した 機 器 を 設 計 す る 機 会 が 増 えてきていますが その 一 方 で 2.5Gbpsや5Gbpsといった 高 速 信 号 を 初 めて 扱 うこ とになった という 方 も 少 なくありません しかも PCI Expressはシリアル 伝 送 規 格 のため パラレル バスに 親 しんできた 方 々の 中 には PCI Express 信 号 をどのように 評 価 したら 良 いの か 戸 惑 う 方 も 少 なからずいらっしゃるのではないかと 思 います 本 書 は PCI Expressを 初 めて 扱 う 方 であっても 自 信 をもって 測 定 を 実 施 していただけるガイ ドとして 作 成 しました 本 書 はPCI Express 採 用 ボードの 設 計 者 や 評 価 担 当 の 皆 様 を 主 な 対 象 と して 開 発 したボードの 評 価 を どんな 機 材 を 使 い どんな 手 順 で 測 定 したら 良 いかを 解 説 し ています また 評 価 をスムースに 進 めるためにボード 設 計 の 時 点 で 考 慮 すべき 点 についても 説 明 しています PCI Express 採 用 ボードの 設 計 にあたって 本 書 をご 一 読 いただき 事 前 に 十 分 な 知 識 を 得 て 準 備 を 行 ない 安 心 して 評 価 に 臨 んでいただきたいと 思 います なお 実 際 の 測 定 に 際 してご 不 明 な 点 が 出 てきた 場 合 には 弊 社 フリーダイヤルのオンライン 技 術 部 へお 問 い 合 わせください 十 分 な 知 識 を 持 った 担 当 の 技 術 者 がサポートさせていただき ます アジレント テクノロジー 計 測 オンライン 技 術 部 0120-421-345 本 書 が 皆 様 の 設 計 評 価 のお 役 に 立 てば 幸 いです アジレント テクノロジー 株 式 会 社 電 子 計 測 本 部 アプリケーション エンジニアリング 部 *** 本 書 の 対 象 範 囲 *** この 版 ではPCI Express 規 格 がサポートする 伝 送 速 度 のうち 2.5Gbpsおよび5Gbpsの 伝 送 速 度 の 評 価 について 解 説 しています 本 書 ではPCI-SIGのCEM 仕 様 に 基 づくマザーボードおよびアドイン カードの 評 価 を 中 心 に 解 説 しています また ボード 上 でのLSI 間 の 通 信 にPCI Express 技 術 が 使 用 される 場 合 の 評 価 に ついても 扱 います 5

第 1 章 PCI Express 信 号 の 基 礎 本 章 では 評 価 の 対 象 となるPCI Express 信 号 の 概 要 について 説 明 します 詳 細 については 以 下 の 規 格 書 等 を 参 照 してください PCI Express Base Specification, Revision 3.0, PCI-SIG PCI Express Card Electromechanical Specification, Revision 2.0, PCI-SIG 1-1. PCI Express 信 号 の 概 要 PCI Expressはシリアル 方 式 の 通 信 規 格 で PCI-SIG(Peripheral Component Interconnect Special Interest Group)が 制 定 したものです その 基 本 的 な 構 造 を 図 1.1に 示 します 通 信 は 双 方 向 です がバス 構 造 ではなく 送 信 と 受 信 の 経 路 は 分 離 されていて LSI 間 は1 対 1で 通 信 します ある LSIが 複 数 のLSIと 通 信 する 場 合 には 通 信 相 手 のLSI 毎 に 信 号 路 を 設 けます CPUに 近 い 最 上 流 のLSIを ルート コンプレックス その 相 手 ( 最 下 流 )を エンド ポイント と 呼 びま す その 他 経 路 切 替 をする 機 能 を 持 ったLSIを スイッチ PCI Expressから 他 の 通 信 規 格 へ 接 続 するLSIを ブリッジ と 呼 びます 信 号 伝 送 は 差 動 信 号 を 使 い 送 信 側 2 本 受 信 側 2 本 が 相 手 のLSIに 接 続 されます この 基 本 的 な 送 受 2ペアの 通 信 路 を レーン と 呼 びます 伝 送 帯 域 を 増 やすために 複 数 のレーンを 使 う ことができます LSIの 通 信 ポートがNレーンの 構 成 の 場 合 xnのポートと 表 現 します また ポート 間 が 接 続 された 状 態 をリンクと 呼 びます 現 在 のところ 各 レーンの 通 信 速 度 ( 片 方 向 )は2.5Gbps, 5Gbps, 8Gbpsが 許 されていますが 使 用 する 通 信 速 度 に 加 え それよりも 遅 い 速 度 も 必 ずサポートしなければなりません つまり 5Gbpsで 通 信 するシステムの 場 合 には 2.5Gbpsもサポートする 必 要 があります 逆 に 2.5Gbps のみを 使 う 場 合 には 必 ずしも5Gbpsをサポートする 必 要 はありません また リンクの 通 信 速 度 としては5GT/sのように 表 現 するのが 一 般 的 です(GT/s: giga transfers per second) また 基 準 クロック(Reference Clock)には100MHzが 使 われます Root Complex コネクタ End Point TX0 TX1 RX0 RX1 PETp0 PETn0 PETp1 PETn1 PERp0 PERn0 PERp1 PERn1 RX0 RX1 TX0 TX1 Clock Gen Clock buffer/ driver 基 準 クロック100MHz 差 動 基 準 クロック100MHz 差 動 この 図 は 説 明 の 都 合 上 2レーンとして 描 いてありますが 1レーンや 多 レーンでも 同 様 です 図 1.1 PCI Expressシステムの 基 本 的 な 構 成 7

5Gbpsまでの 信 号 では de-emphasis(デエンファシス) という 技 術 が 使 われます 一 般 的 に はpre-emphasis(プリエンファシス)と 呼 ばれる 技 術 と 同 じ 目 的 で 伝 送 路 の 損 失 によって 信 号 の 高 周 波 成 分 が 失 われるのを あらかじめ 送 出 側 で 補 償 しようとするものです de-emphasis では 送 出 する 信 号 の 符 号 (1または0)が 連 続 する 場 合 に 2ビット 目 以 後 の 信 号 振 幅 を フ ル スイングに 対 して3.5dB 低 いレベルで 送 出 します( 図 1.2) 5Gbpsの 場 合 には -3.5dBに 加 え -6dBのde-emphasisも 定 義 されています 1-2. PCI Express 関 連 仕 様 と 信 号 規 格 PCI ExpressはPCIに 続 く 第 3 世 代 のPCバスとして 開 発 されました このため 主 にPC 内 部 でLSI 間 の 通 信 に 使 われています またPCIがそうであったように PCI -SIGのPCI Express 規 格 をベース として 多 数 の 規 格 が 開 発 されているため どの 規 格 に 対 して 評 価 しようとしているのかに 注 意 が 必 要 です これは 測 定 ポイントや 評 価 基 準 が 規 格 毎 に 異 なるためです 関 連 する 代 表 的 な 規 格 を 列 挙 してみると 以 下 のようなものがあります 括 弧 内 は 規 格 を 制 定 している 団 体 を 示 しています PCI Express Base Specification (PCI-SIG) PCI Expressの 一 番 元 となる 規 格 で LSI 端 での 信 号 規 格 およびLSIの 動 作 を 規 定 しています PCI Express Card Electromechanical Specification (PCI-SIG) マザーボードやアドイン カードのための 規 格 PCI Express Mini Card Electromechanical Specification (PCI-SIG) 主 にノートPCの 内 部 に 装 着 する 小 型 カードのための 規 格 ExpressCard (USB-org) 主 にノートPCの 機 能 拡 張 スロットの 規 格 De-emphasis : 同 じ 極 性 のビットが 続 く 時 連 続 する 極 性 の2ビット 目 以 後 は 最 初 の ビット( 極 性 が 変 化 した 時 のビット)よりも3.5dB 低 い 差 動 振 幅 で 送 出 する 送 出 データが 直 前 のデータと 違 う 同 じ 送 出 データの 振 幅 高 (Transition Bit) 低 (De-emphasis Bit) Tx p p Rx n n 差 動 ドライバ 出 力 V TX-D+ 差 動 ドライバ 出 力 V TX-D- 差 動 信 号 成 分 V TX-Diffp-pp (V TX-D+ - V TX-D- ) 0 1 1 1 0 1 0-3.5dB V TX-Diffp-pp 0 1 1 1 0 1 0 V TX-Diffp-pp 図 1.2 de-emphasis 8 Transition Bit : データの 極 性 が 反 転 し たビット Non-Transition Bit: De-emphasis Bit: 直 前 のビットとデータの 極 性 が 同 じビット

CompactPCI Express (PICMIG) 産 業 用 PCでPCI Expressを 使 うための 規 格 COM Express (PICMIG) 組 込 み 用 PCの 規 格 信 号 の 詳 細 については 各 規 格 を 参 照 してください なお 注 意 点 として 評 価 の 基 準 となるア イ マスクを 定 義 していない 仕 様 もあります( 例 :Mini Card) このような 場 合 には 測 定 する ことはできても 測 定 結 果 の 妥 当 性 を 判 断 する 基 準 が 仕 様 に 規 定 されておらず 判 断 基 準 を 自 分 で 作 る( 決 める) 必 要 があります 1-3. 設 計 時 の 注 意 事 項 PCI Expressを 採 用 したボードやシステムを 設 計 する 際 には 評 価 についても 設 計 段 階 から 考 慮 しておくことが 重 要 です 信 号 経 路 上 のどのポイントで 評 価 すべきなのか そのポイントに 評 価 の 基 準 はあるか( 例 :アイ マスク) どのように 信 号 を 取 り 出 すのか(プロービング) その 場 所 でプロービングが 可 能 か 等 を 検 討 します 安 定 した 通 信 をおこなうためには 受 信 側 のLSIが 信 号 を 誤 りなく 受 信 できることが 必 要 です このため 伝 送 信 号 の 品 質 を 評 価 する 際 に 最 も 重 要 なのは 信 号 の 受 信 端 ですから ここでプ ロービングできるように 常 に 考 慮 しておくべきです LSIがBGAパッケージであっても スルーホールを 設 けてBGAの 直 下 でプロービングできる ようにしておくと 良 いでしょう プロービングの 妨 げにならないよう スルーホールの 上 に 部 品 を 配 置 しない 考 慮 も 必 要 です プロービング 点 がLSIの 受 信 端 (ピン)から 離 れる ( 距 離 ができる)と LSI 受 信 端 からの 反 射 信 号 が 信 号 に 重 畳 するため 正 しい 観 測 が 行 えません プロービング 点 の 近 くにグラウンド パッドを 設 けることができれば 信 号 を シングルエンドでも 観 測 でき 理 想 的 です 目 的 に 応 じた 観 測 点 (プロービング 点 )を 選 択 し そこでプロービングできるように 設 計 時 に 準 備 しましょう 高 速 信 号 では 目 的 に 応 じた 適 切 な 観 測 点 以 外 では 意 味 のある 観 測 ができないことを 十 分 認 識 してください 公 式 試 験 のように 測 定 点 が 仕 様 で 規 定 されている 場 合 には それも 考 慮 する 必 要 があります CEM 仕 様 の 場 合 にはコネクタ 位 置 で 測 定 することになります CBBまたはCLBと 呼 ばれる 測 定 用 のフィクスチャを 使 用 しますが 詳 細 は 後 の 章 で 説 明 します また プロービングのためにパッドを 設 ける 場 合 には 信 号 品 質 を 劣 化 させたりシステム 動 作 に 影 響 を 与 えたりしないように 注 意 が 必 要 です 9

一 般 的 な 注 意 点 としては 図 1.3に 示 すように 評 価 点 のなるべく 近 くに( 理 想 的 には 評 価 点 で) 信 号 経 路 に 対 してスタブ( 分 岐 )を 構 成 しないように 作 成 します また 面 積 を 最 小 にすることで 信 号 品 質 への 影 響 を 最 小 限 に 抑 えるようにします 面 積 が 大 きい 場 合 には 信 号 に 対 して 容 量 性 負 荷 となり 信 号 品 質 に 影 響 を 与 える 場 合 があります シミュ レーションを 活 用 して 影 響 を 確 認 すると 良 いでしょう プロトコル アナライザ 用 の 測 定 ポイントを 活 用 しようとする 場 合 には そのポイントが 目 的 とする 測 定 に 適 しているかを 検 討 する 必 要 があります 一 般 に プロトコル アナライザのプ ロービング ポイントはLSI 間 の 中 間 の 位 置 に 置 きますが この 位 置 は 信 号 品 質 の 評 価 には 適 した 位 置 ではありません このポイントは 信 号 受 信 端 ではなく また 仕 様 で 規 定 された 評 価 ポ イントとは 限 らないためです なお プロトコル アナライザへの 信 号 が 適 切 なものであるか を 確 認 する 目 的 としては 使 用 できます 必 要 なプロービング ポイントを 設 計 時 に 用 意 しておく 原 則 配 線 パターンを 対 称 に(D+, D-) スタブを 作 らない パッド 容 量 はシミュレーションで 影 響 を 確 認 (プローブ ヘッドのSPICEモデルを 利 用 ) ヒント 必 要 なビア 等 を 利 用 する 半 田 付 けプローブ ヘッドの 利 用 差 動 だけでなく single-endでもプロービングできる 準 備 面 積 最 小 スタブにしない なるべく 短 く GND 端 子 を 設 ける 各 図 は 説 明 のための 概 念 図 です 図 1.3 プロービング ポイントを 設 ける 際 の 一 般 的 な 注 意 10

第 2 章 PCI Expressの 信 号 品 質 評 価 本 章 では 信 号 品 質 評 価 の 概 要 について 説 明 します 2-1. 信 号 品 質 評 価 の 目 的 信 号 品 質 評 価 の 目 的 は 仕 様 への 適 合 性 やマージンを 確 認 する デバッグ の2つがあります 仕 様 への 適 合 性 を 確 認 するには 仕 様 で 規 定 された 評 価 ポイント( 位 置 )で 測 定 することが 必 須 です それ 以 外 の 位 置 では 評 価 の 目 的 を 達 成 できません PCI Expressをはじめとする 高 速 信 号 は 伝 送 路 上 の 位 置 によって 信 号 波 形 が 異 なるという 特 性 を 持 っているため 評 価 位 置 と 評 価 基 準 ( 仕 様 )は 一 体 として 考 えます 仕 様 では 特 定 の 位 置 に 対 しての 基 準 が 示 されて いますが それ 以 外 の 位 置 では 測 定 ができても 評 価 基 準 がないために 良 否 判 定 ができない 状 況 が 発 生 します 高 速 信 号 は 伝 送 路 の 損 失 ( 周 波 数 特 性 )や 不 均 一 性 により 伝 送 中 に 波 形 が 変 化 し ます また 伝 送 路 の 途 中 や 受 信 端 での 反 射 によって 余 分 な 信 号 が 重 畳 しても 波 形 が 変 化 します 理 想 的 な 伝 送 路 ではこのような 問 題 は 発 生 しませんが 実 際 の 基 板 や 部 品 は 理 想 的 ではありません 評 価 ポイント( 位 置 )と 評 価 基 準 ( 仕 様 )の 例 : LSIの 受 信 端 (Rxピン): 基 本 仕 様 のRx 仕 様 に 対 して 評 価 マザーボードのPCI Expressコネクタ 位 置 :CEM 仕 様 のマザーボード 項 目 に 対 して 評 価 アドイン カードのエッジ コネクタ 位 置 :CEM 仕 様 のアドイン カード 項 目 に 対 して 評 価 デバッグの 場 合 の 測 定 ポイント( 位 置 )は 目 的 により 様 々ですが 信 号 品 質 の 評 価 として 最 も 重 要 なのは 受 信 端 です どのような 信 号 をLSIが 受 け 取 っているかが 重 要 だからです 2-2. コンプライアンス 試 験 とは 一 般 に コンプライアンス 試 験 と 呼 ぶ 場 合 DUT( 被 測 定 物 )が 目 的 の 仕 様 を 満 足 してい るかを 確 認 する 評 価 を 指 す 場 合 ( 広 義 )と 仕 様 の 主 管 団 体 が 主 催 する 公 式 試 験 を 指 す 場 合 ( 狭 義 )の2 種 類 があります PCI ExpressではPCI-SIGが 主 催 するCompliance Workshopに おいて 公 式 試 験 が 実 施 されていて ここでの 試 験 内 容 がcompliance testingとして 公 開 されて います コンプライアンス 試 験 を 実 施 する 場 合 それが 公 式 試 験 を 指 すのか 公 式 試 験 に 準 拠 した 内 容 の 自 社 試 験 (プリ コンプライアンス 試 験 と 呼 びます)を 指 すのか も しくはそれ 以 外 を 指 すのかを 明 確 にすることをお 勧 めします それによって 測 定 点 や 使 用 するツールも 異 なるからです 11

2-3. PCI-SIGの 公 式 試 験 内 容 公 式 試 験 は 年 間 に5~6 回 アメリカまたは 台 湾 でPCI-SIGによりCompliance Workshopとして 実 施 されており 公 式 試 験 を 受 験 するにはこのイベントに 参 加 する 必 要 があります 実 施 スケ ジュールは 以 下 を 参 照 してください http://www.pcisig.com/events/ 公 式 試 験 の 内 容 はPCI-SIGのホームページで 公 開 されており 表 2.1のカテゴリがあります これらの 項 目 は100% 合 格 する 必 要 があります 表 2.1 公 式 試 験 のカテゴリ Electrical testing ( 電 気 信 号 品 質 の 試 験 ) Configuration testing (コンフィグレーション 空 間 の 試 験 ) Link protocol testing (リンク 層 の 試 験 ) Transaction protocol testing (トランザクション 層 の 試 験 ) Platform BIOS testing (BIOSの 試 験 ) 相 互 接 続 性 を 含 めすべての 項 目 に 合 格 すれば 登 録 手 続 きにより PCI-SIGのホームページで Integrators Listの 中 で 公 開 されます このリストは 誰 でも 見 ることができます http://www.pcisig.com/developers/compliance_program/integrators_list/ 公 式 試 験 の 対 象 はCEM 仕 様 に 基 づくマザーボードおよびアドイン カードです これ 以 外 の フォーム ファクタで 作 成 された 製 品 は 受 験 することができません 上 述 の 公 式 試 験 の 内 容 は 製 品 カテゴリ(マザーボード アドイン カード)によって 異 なり 例 えばPlatform BIOSはマザーボードだけの 項 目 です また 対 象 の 仕 様 (1.1, 2.0 等 )によっ ても 具 体 的 な 内 容 が 異 なります LSIやIPとして 試 験 を 受 ける 場 合 には マザーボードまたはアドイン カードとして 実 装 すれば 受 験 できます また Mini PCI Expressカード(Mini CEM)はアダプタ 込 みで 受 験 した 例 があります CEM 以 外 のフォーム ファクタで 公 式 試 験 の 受 験 を 考 えている 場 合 には 早 めにPCI-SIGへ 相 談 することをお 勧 めします 対 象 の 製 品 カテゴリ 毎 にどんな 試 験 が 必 要 かを 示 した 資 料 (PCIe Workshop Testing Summary)がPCI-SIGのホームページに 用 意 されています 以 下 を 参 照 してください http://www.pcisig.com/specifications/pciexpress/compliance 公 式 試 験 としては 更 に 相 互 接 続 性 試 験 にも 合 格 する 必 要 があります 相 互 接 続 性 試 験 は そ の 回 のCompliance Workshopに 参 加 の 受 験 者 同 士 (マザーボード アドイン カード)の 相 互 接 続 性 を 確 認 する 形 で 実 施 され 8 割 以 上 の 相 手 と 正 常 に 接 続 できれば 合 格 となります なお 公 式 試 験 は 限 られた 時 間 の 中 で 実 施 されるため PCI Expressの 機 能 や 動 作 が 漏 れなく 検 証 されるわけではありません 公 式 試 験 に 合 格 したからといって 製 品 の 動 作 や 相 互 接 続 性 をPCI-SIGが 保 証 してくれることはありませんので 仕 様 への 適 合 性 は 自 社 でしっかりと 確 認 することが 必 要 です 12

2-4. プリ コンプライアンス 試 験 プリ コンプライアンス 試 験 は 公 式 試 験 の 予 行 演 習 として 自 社 で 実 施 するもので 公 式 試 験 と 同 じ 内 容 で 実 施 します 実 際 に 公 式 試 験 に 参 加 しない 場 合 でも 公 式 試 験 と 同 じ 内 容 で 試 験 しておくことで 製 品 が 公 式 試 験 に 受 かるレベルのものであるかを 確 認 することができま す 2-5. まとめ プリ コンプライアンス 試 験 はアジレントの 有 償 サービスとして 提 供 されている 他 一 部 のテスト サービス 会 社 (テスト ハウス)でも 実 施 されています 公 式 評 価 ツールであるSigtestはPCI-SIG 会 員 企 業 のみが 入 手 使 用 できます Sigtestが 入 手 できない 場 合 には プリ コンプライアンス 試 験 には 弊 社 製 品 N5393Cをご 利 用 くだ さい 公 式 試 験 やプリ コンプライアンス 試 験 の 位 置 づけを 表 2.2にまとめておきます 表 2.2 公 式 試 験 とプリコンプライアンス 試 験 の 位 置 づけ 目 的 規 格 適 合 性 デバッグ 実 施 者 PCI-SIG 公 式 試 験 --- 自 社 プリ コンプライアンス 試 験 デバッグ 13

第 3 章 Gen1/Gen2 CEMアドイン カードの 信 号 品 質 評 価 本 章 では5Gbps 動 作 までのCEMアドイン カードを 対 象 として 電 気 信 号 品 質 を 評 価 する 方 法 について 具 体 的 に 解 説 します 3-1. 概 要 CEMアドイン カードの 電 気 信 号 品 質 評 価 は アドイン カードに 搭 載 されたLSIが 送 出 す る 信 号 をオシロスコープで 評 価 する 測 定 です DUTがアドイン カードの 場 合 公 式 試 験 で 使 われるCBB(Compliance Base Board)と 呼 ばれる 測 定 用 の 治 具 ボードを 利 用 すると 評 価 が 容 易 になります 3-2. 必 要 機 材 以 下 の 機 材 が 必 要 になります( 図 3.1を 参 照 ) これ 以 外 にもアクセサリ 類 が 必 要 ですが 以 降 の 項 で 個 別 に 示 します オシロスコープ CBB CBB 用 の 電 源 (デスクトップPC 用 のATX 電 源 20ピン) 接 続 用 ケーブル オシロスコープはDUTの 動 作 速 度 により 表 3.1に 示 す 性 能 が 必 要 です また 自 社 試 験 の 場 合 にはPCI Express 向 けの 自 動 評 価 ソフトウェアを 利 用 するのが 便 利 です 表 3.1 必 要 なオシロスコープの 性 能 2.5Gbpsまでの 場 合 5.0Gbpsまでの 場 合 6GHz 帯 域 20GSa/s(サンプル/ 秒 ) 2チャネル 8Mワード/チャネル 12GHz 帯 域 40GSa/s 2チャネル 8Mワード/チャネル CBBは 表 3.2のように2 種 類 があります どちらもPCI-SIGから 直 接 購 入 します 購 入 方 法 の 詳 細 はPCI-SIGのホームページを 参 照 してください 表 3.2 CBBの 種 類 CBB1 CBB2 仕 様 1.1に 対 応 した 評 価 を 実 施 する 場 合 仕 様 2.0に 対 応 した 評 価 を 実 施 する 場 合 CBB2でも 仕 様 1.1 対 応 の 試 験 は 実 施 できますが 搭 載 されている 基 準 クロック 源 のジッ タ 特 性 はCBB2の 方 が 優 れているため 仕 様 1.1 対 応 の 評 価 をCBB2を 使 って 実 施 すると 若 干 良 い 結 果 になる 可 能 性 があります 公 式 試 験 に 向 けたプリ コンプライアンス 試 験 として 実 施 する 場 合 には 正 式 な 組 み 合 わせで 実 施 すべきでしょう 15

ATX 電 源 はCBBに 搭 載 した 回 路 へ 電 源 を 供 給 すると 同 時 に PCI Expressコネクタを 介 し てDUTにも 電 源 を 供 給 します DUTの 消 費 電 力 が 大 きい 場 合 にはATX 電 源 の 容 量 に 注 意 が 必 要 です 逆 に DUTの 消 費 電 力 が 少 ないとATX 電 源 からの 供 給 電 圧 が 安 定 しない 場 合 があるので ATX 電 源 の 負 荷 としてHDD 等 を 接 続 しておくと 良 いでしょう 実 際 に 公 式 試 験 の 会 場 では ATX 電 源 の 負 荷 としてHDDを1 台 接 続 して 運 用 されています 接 続 用 の 同 軸 ケーブルは 高 品 質 のものをお 勧 めします ケーブルの 高 周 波 損 失 が 大 き いとDUTからの 信 号 が 劣 化 し オシロスコープに 入 力 された 時 点 で 信 号 のレベルが 低 下 したり 信 号 品 質 が 劣 化 する 恐 れがあるためです オシロスコープ 同 軸 ケーブル ATX 電 源 (CBB 用 ) CBB1( 仕 様 1.1 評 価 用 ) CBB2( 仕 様 2.0 評 価 用 ) 図 3.1 必 要 機 材 (アクセサリ 類 を 除 く) 16

5.0Gbpsまで 対 応 する 場 合 のオシロスコープの 推 奨 構 成 を 表 3.3に 2.5Gbpsに 対 応 した 構 成 を 表 3.4に 示 します Infiniium 90000AシリーズのDSAモデルには 高 速 シリアル 解 析 機 能 ジッタ 解 析 機 能 帯 域 制 限 機 能 大 容 量 メモリ(50Mワード/ch)が 標 準 装 備 されていて PCI Expressをはじ めとする 各 種 高 速 シリアル 信 号 の 評 価 に 適 しています 表 3.1および 表 3.2の 構 成 には 本 章 で 説 明 するCBBを 使 った 評 価 で 必 要 になる 機 材 に 加 え デ バッグで 有 用 な 機 材 も 含 めてご 紹 介 しています 表 3.3 5GT/sに 対 応 するオシロスコープ 推 奨 構 成 モデル 番 号 内 容 数 量 Agilent DSA91304A オシロスコープ(4ch, 13GHz 帯 域, 40GSa/s, 50Mワード/ch) 1 オプション022 PCI Express 信 号 品 質 評 価 ソフトウェア 内 蔵 1 Agilent 1169A InfiniiMax IIプローブ アンプ(12GHz 帯 域 差 動 ) 2 Agilent N5425A InfiniiMax IIプローブ ヘッド(ZIFハンダ 付 けタイプ)12GHz 帯 域 2 Agilent N5426A InfiniiMax II ZIFチップ12GHz 帯 域 2 Agilent N5382A InfiniiMax IIプローブ ヘッド( 手 持 ち 測 定 タイプ)12GHz 帯 域 1 Agilent E2675A InfiniiMax Iプローブ ヘッド( 手 持 ち 測 定 タイプ)6GHz 帯 域 1 Agilent E2697A 高 インピーダンス プローブ 1 表 3.4 2.5GT/sに 対 応 するオシロスコープ 推 奨 構 成 モデル 番 号 内 容 数 量 Agilent DSA90604A オシロスコープ(4ch, 6GHz 帯 域, 20GSa/s, 50Mワード/ch) 1 オプション022 PCI Express 信 号 品 質 評 価 ソフトウェア 内 蔵 1 Agilent 1134A InfiniiMax Iプローブ アンプ(7GHz 帯 域 差 動 ) 2 Agilent N5425A InfiniiMax IIプローブ ヘッド(ZIFハンダ 付 けタイプ)12GHz 帯 域 2 Agilent N5426A InfiniiMax II ZIFチップ12GHz 帯 域 2 Agilent N5382A InfiniiMax IIプローブ ヘッド( 手 持 ち 測 定 タイプ)12GHz 帯 域 1 Agilent E2675A InfiniiMax Iプローブ ヘッド( 手 持 ち 測 定 タイプ)6GHz 帯 域 1 Agilent E2697A 高 インピーダンス プローブ 1 17

3-3. 必 要 アクセサリ 類 3-2で 紹 介 した 他 に 以 下 のアクセサリが 必 要 です 信 号 接 続 ケーブル 50オーム 終 端 パワー スプリッタ(ケーブル スキューの 確 認 時 に 使 用 ) 各 種 アダプタ( 校 正 やスキュー 確 認 で 使 用 ) ATX 電 源 ハード ディスク ドライブ(ATX 電 源 の 負 荷 用 ) ATX 電 源 およびATX 電 源 の 負 荷 用 のハード ディスク ドライブ( 各 1 台 )は 使 用 するCBBに よらず 同 じものが 使 用 できます CBB1を 使 用 する 場 合 のアクセサリを 表 3.5に 示 します 同 様 に CBB2を 使 用 する 場 合 のアクセサリを 表 3.6に 示 します 表 3.5 CBB1を 使 用 する 場 合 のアクセサリ アクセサリ 要 件 数 量 信 号 接 続 ケーブル 50オーム 終 端 SMA(m)-SMA(m) 同 軸 ケーブル 長 さ90cm 程 度 で 挿 入 損 失 がなるべく 小 さい 高 品 質 なものが 好 ましい アジレント 製 品 では15443A(2 本 ペア) SMA(m) 型 数 量 は 対 象 カードのレーン 数 により 異 なる 1レーン: 不 要 4レーン: 2 個 8レーン: 6 個 16レーン: 12 個 アジレント 製 品 では1810-0118 2 左 記 参 照 パワー ディバイダ アジレント 製 品 では11636B 1 各 種 アダプタ Precision BNC(m)-SMA(f)アダプタ(アジレント54855-67604) SMA(m)-SMA(m)アダプタ(アジレント1250-1159) 各 1 表 3.6 CBB2を 使 用 する 場 合 のアクセサリ アクセサリ 要 件 数 量 信 号 接 続 ケーブル 50オーム 終 端 SMP(f)-SMA(m) 同 軸 ケーブル 長 さ90cm 程 度 で 挿 入 損 失 がなるべく 小 さい 高 品 質 なものが 好 ましい SMP(f) 型 数 量 は 対 象 カードのレーン 数 により 異 なる 1レーン: 不 要 4レーン: 2 個 8レーン: 4 個 16レーン: 8 個 2 左 記 参 照 パワー ディバイダ アジレント 製 品 では11636B 1 各 種 アダプタ Precision BNC(m)-SMA(f)アダプタ (アジレント54855-67604) 1 個 SMA(m)-SMA(m)アダプタ (アジレント1250-1159) 1 個 SMP(m)-SMA(m)アダプタ 2 個 左 記 参 照 18

3-4. 測 定 前 の 準 備 測 定 は 以 下 のステップで 行 います 測 定 機 材 のウォームアップと 校 正 接 続 測 定 以 下 では 測 定 機 材 のウォームアップと 校 正 について 説 明 します 接 続 および 測 定 は 対 象 製 品 毎 に 項 をあらためて 説 明 します [ 測 定 機 材 のウォームアップと 校 正 ] オシロスコープは 測 定 開 始 前 に30 分 以 上 できれば60 分 以 上 通 電 してウォームアップしてく ださい 校 正 および 測 定 を 実 施 する 前 にオシロスコープの 内 部 温 度 を 安 定 させることが 目 的 です 校 正 は オシロスコープ 単 体 でのユーザ 校 正 と 使 用 するケーブルとオシロスコープの 組 み 合 わせでの 校 正 (DC 分 圧 比 チャネル 間 時 間 差 )の2 段 階 から 成 ります オシロスコープ 単 体 でのユーザ 校 正 は 省 略 することができますが より 正 確 な 測 定 を 行 ないたい 場 合 には 実 施 をお 勧 めします 省 略 すると 前 回 の 校 正 値 が 使 用 されます 実 施 する 場 合 比 較 的 時 間 のかかる 作 業 になりますので 時 間 に 余 裕 を 見 て 実 施 する ことをお 勧 めします DC 分 圧 比 とチャネル 間 時 間 差 (チャネル 間 スキュー)は 使 用 するケーブルに 依 存 しま す 一 度 校 正 したケーブルを 使 って 測 定 する 場 合 には 保 存 されている 校 正 結 果 を 利 用 することができます この 場 合 どのチャンネルにどのケーブルを 接 続 するかとい う 組 み 合 わせは 校 正 時 と 変 えてはいけません 19

被 測 定 ボード Sample 3-5. DUTの 接 続 図 3.10または 図 3.11を 参 照 して 測 定 のための 接 続 を 行 ないます CBB 上 には 複 数 のSMAコネクタ(CBB2の 場 合 にはSMPコネクタ)が 実 装 されていますが 測 定 で 使 用 するのは2 個 だけです 使 用 しない 他 のコネクタにはすべて50Ω 終 端 を 接 続 しておき ます SMPコネクタは 中 心 導 体 が 折 れやすいため コネクタへの 抜 き 差 しは 慎 重 に 垂 直 に 行 な います SMPコネクタの 挿 抜 ツールを 使 用 することをお 勧 めします 弊 社 製 品 では E4809-23802が 使 用 できます SMAコネクタはオス 側 にあるリングを 回 して 締 め 付 け/ 取 り 外 しを 行 います この 時 片 方 の 手 でケーブルを 持 ち ケーブルが 回 らないように 注 意 します これはSMAコネク タの 接 続 端 面 を 摩 耗 して 損 傷 しないようにするためです 過 度 の 締 め 付 けを 防 ぎ 適 切 なトルクで 締 め 付 けるため トルク レンチを 使 用 するようにしましょう コネク タの 適 正 トルクはコネクタのタイプ 毎 に 異 なるため コネクタに 合 ったトルク レン チを 使 用 することが 重 要 です SMAコネクタの 場 合 には SMAコネクタ 用 (アジレント 8710-1582)を 使 用 します コネクタが 実 装 されていないレーンは ボード 上 のチップ 抵 抗 で 終 端 されています ATX 電 源 オシロスコープ CBB1 Precision BNCアダプタ SMA 同 軸 ケーブル 図 3.10 CBB1を 使 う 場 合 の 接 続 25

被 測 定 ボード Sample オシロスコープ ATX 電 源 CBB2 Precision BNCアダプタ SMP 同 軸 ケーブル モード 遷 移 プッシュ スイッチ 図 3.11 CBB2を 使 う 場 合 の 接 続 終 端 終 端 図 3.12 測 定 に 使 わないコネクタはすべて 終 端 しておく 左 :CBB1, 右 :CBB2 26

3-7. 測 定 の 実 施 (Revision 1.1 仕 様 のアドイン カードの 場 合 ) 左 側 に 表 示 されているTask Flowに 従 い 順 番 に 設 定 していきます [Setup]タブは 測 定 の 基 本 的 な 設 定 を 行 います [Select Test]タブでは 測 定 項 目 を 選 択 します 必 要 な 項 目 だけを 選 択 することもできます [Configure]タブでは 測 定 条 件 を 設 定 します 評 価 UI 数 は 仕 様 の 規 定 では1M UIですが デバッグ 等 で 簡 単 にチェックしたい 場 合 などは 評 価 UI 数 を 減 らして 測 定 しても 良 いでしょう [Connect]タブでは 機 器 の 接 続 とコンプライアンス テスト パターンの 確 認 が 表 示 されます 内 容 を 確 認 し[Run Test]ボタンを 押 すと 測 定 が 始 まります 測 定 が 終 了 したら [Results]タブや[HTML Report]タブで 結 果 を 確 認 します [Setup]タブ: 基 本 的 な 設 定 を 行 います Device: 対 象 の 規 格 を 選 択 します( 本 項 ではPCIE 1.1) Test Point: 測 定 点 を 選 択 します( 本 項 ではAdd-in Card Tests) Receiver Testは 受 信 端 で の 信 号 品 質 を 評 価 します( 受 信 能 力 ではありません) Reference Clock: Clean Clockは ジッタの 少 ないクロックを 使 って 試 験 する 場 合 に 選 択 しま す CBBを 使 用 する 場 合 はClean Clockを 選 択 します User Comment: 任 意 のコメントを 入 力 できます 試 験 レポートのコメント 欄 に 表 示 されます Embed/De-embed: 測 定 環 境 を 反 映 できます( 本 書 では 扱 いません) Saved waveform: ( 本 書 では 扱 いません) 図 3.16 Setupタブの 設 定 (Rev.1.1 アドイン カード) 30

[Select Tests]タブ: 測 定 項 目 を 選 択 します 必 要 な 項 目 だけを 選 択 して 実 行 することもでき ます Unit Interval: ユニット インターバル Template Tests: マスク 試 験 Median to Max Jitter: ジッタ Eye-Width: アイ 幅 Peak Differential Output Voltage (Transition): 遷 移 ビットの 差 動 電 圧 振 幅 Peak Differential Output Voltage (NonTransition): 非 遷 移 ビットの 差 動 電 圧 振 幅 図 3.17 Select Testsタブの 設 定 (Rev.1.1 アドイン カード) 31

[Configure]タブ: 測 定 条 件 を 設 定 します Number of UI: 評 価 に 使 うUI 数 (ビット 数 )を 指 定 します デフォルトは100 万 個 です 測 定 時 間 を 短 くして 簡 単 にチェックしたい 場 合 は 少 ないUI 数 を 指 定 します Lane Number: 測 定 対 象 のレーン 番 号 を 設 定 します 測 定 結 果 には 影 響 しませんが レ ポートに 表 示 されます Sample Rate: サンプリング 速 度 を 設 定 します デフォルトから 変 更 する 必 要 はありませ ん Noise Reduction: 信 号 にノイズが 多 い 場 合 に 帯 域 を 制 限 することができます 通 常 はデ フォルト(Automatic)で 測 定 します Signal Check: 信 号 が 試 験 対 象 の 信 号 かを 簡 便 な 方 法 で 確 認 します 通 常 はEnableに しておきます Deembed Fixture: フィクスチャ(CBB 等 )の 損 失 を 固 定 値 で 入 力 できます 通 常 は0です Connection Type: 信 号 の 接 続 方 法 を 設 定 します 同 軸 ケーブルによる 接 続 ではDirectを 選 択 します 図 3.18 Configureタブの 設 定 (Rev.1.1 アドイン カード) 32

[Connect]タブ: 接 続 を 確 認 したら 最 下 部 にチェックを 入 れ Run Testを 押 します 自 動 測 定 が 開 始 されます [Results]タブ: 測 定 が 終 了 すると 結 果 の 一 覧 が 表 示 されます Test Name 下 の 測 定 項 目 をクリックすると その 詳 細 が 画 面 下 部 に 表 示 されます 図 3.19 ConnectタブとRunTest(Rev.1.1 アドイン カード) 33

3-11. 公 式 試 験 の 必 要 機 材 と 手 順 公 式 試 験 では これまでに 説 明 したのと 同 じ 機 材 やセットアップを 使 いますが 評 価 ツール としてSigtestが 使 われます SigtestはPCI-SIGのホームページからダウンロードできますが こ れはPCI-SIGの 会 員 企 業 に 限 られます また ダウンロードにはPCI-SIGの 会 員 企 業 の 従 業 員 で あることの 他 に PCI-SIGホームページでの 簡 単 な 登 録 が 必 要 です 以 下 ではSigtestを 使 う 場 合 の 測 定 手 順 の 概 要 を 説 明 します なお 公 式 な 手 順 書 はPCI-SIGの 以 下 のページからダウンロードできます http://www.pcisig.com/specifications/pciexpress/compliance/compliance_library ご 注 意 : 公 式 試 験 に 向 けた 準 備 としてプリ コンプライアンス 試 験 を 実 施 する 場 合 には 公 式 な 手 順 書 を 参 照 してください 以 下 は 公 式 試 験 の 手 順 を 実 施 するための 参 考 として 利 用 してください Sigtestは 対 象 の 規 格 によって 以 下 の2 種 類 がPCI-SIGのホームページに 掲 載 されています 仕 様 1.1 用 Sigtest 2.1 仕 様 2.0 用 Sigtest 3.1.9 (1) 必 要 機 材 Sigtestはオシロスコープにインストールすることも 外 部 PCにインストールすることも できます オシロスコープにインストールすれば サイズの 大 きな 波 形 ファイルを 移 動 することなく 解 析 でき 便 利 です 必 要 機 材 は3-2.および3-3.で 説 明 した 内 容 と 同 じです (2) 測 定 前 の 準 備 事 前 の 準 備 ( 機 材 のウォームアップ 校 正 接 続 信 号 確 認 )は3-4 3-5および3-6で 説 明 した 内 容 と 同 じです 3-6.を 参 考 に DUT( 測 定 対 象 のアドイン カード)から 正 しいコンプライアンス テスト パターンが 出 力 されていることをオシロスコープ 画 面 で 確 認 します Revision 2.0 仕 様 に 対 応 したDUTには 以 下 の2 種 類 があります 2.5GT/sのみをサポートしているDUT 5GT/sをサポートしているDUT 5GT/sをサポートしているDUTの 場 合 2.5GT/sと5GT/sの 両 方 について 試 験 します マルチ レーンのアドイン カードの 場 合 CBB 上 でコネクタが 実 装 されているレーン のみが 試 験 対 象 となります 5GT/sの 試 験 では de-emphasisレベル-3.5dbおよび-6dbの 両 方 について 試 験 します 測 定 を 始 め る 前 にCBB2 上 のモード 遷 移 スイッチを 操 作 して 所 望 のde-emphasisレベル(-3.5dBまたは -6dB)でコンプライアンス テスト パターンを 出 力 しておきます 46

(3) 測 定 操 作 [Control] > Default Setupを 実 行 した 後 オシロスコープを 以 下 のように 設 定 します チャネル: Channel 1およびChannel 3をオン 電 圧 軸 (Channel 1, Channel 3): 70mV/div, オフセット0 V トリガ:Channel 3, レベル0V, 立 ち 上 がりエッジ(Channel 1や 立 ち 下 りエッジでも 可 ) サンプリング: 20Gサンプル/ 秒 (2.5GT/sの 場 合 )または40Gサンプル/ 秒 (5GT/sの 場 合 ) メモリ 長 : 2Mワード(Rev 1.1 仕 様 の 場 合 )8Mワード(Rev 2.0 仕 様 の 場 合 ) 波 形 補 間 :オフ 上 記 の 設 定 が 終 了 した 段 階 で オシロスコープの 設 定 を 保 存 しておくとよいでしょう 操 作 は [File] > Save Setup から 適 当 な 名 前 を 付 けてSaveします 仕 様 1.1に 対 する 試 験 の 場 合 には メモリ 長 は2Mワード( 各 チャネル)に 設 定 します これは250k UIの 時 間 に 相 当 します 8Mワードは1M UIに 相 当 します オシロスコープをRunさせます 波 形 が 電 圧 軸 方 向 にも 時 間 軸 にも 画 面 の 中 に 納 まっているこ とを 確 認 します 電 圧 軸 方 向 に 納 まっていない 場 合 には 画 面 からはみ 出 さないように 電 圧 軸 を 調 整 します 電 圧 軸 方 向 に 余 裕 がありすぎる 場 合 には 電 圧 軸 を 調 整 して 大 きく 表 示 し てもかまいません 以 上 の 調 整 確 認 が 終 わったら Stopし 波 形 を 保 存 します [File] > Save > Waveform 保 存 形 式 はCSVを 選 択 します 仕 様 2.0 試 験 用 のSigtest 3.1.9 以 後 ではBinary 形 式 も 選 択 できます Binary 形 式 の 方 がデー タ サイズが 小 さく 保 存 時 間 も 短 くてお 勧 めです 47

Channel 1の 設 定 Channel 3の 設 定 トリガの 設 定 Acquisitionの 設 定 ( 仕 様 1.1の 場 合 ) Acquisitionの 設 定 ( 仕 様 2.0, 5GT/sの 場 合 ) 図 3.32 Sigtestによる 評 価 でのオシロスコープ 設 定 48

(4) Sigtestによる 評 価 次 にSigtestを 起 動 し 保 存 しておいた 波 形 データを 指 定 します Data TypeとしてSingle Endedを 選 択 します 選 択 が 終 了 したら データ フォーマットの 確 認 ボタン[Verify Data Format]を 押 します 確 認 が 成 功 すると 画 面 下 部 の[Test]ボタンがアクティブになります [Technology[および[Template]で 所 望 の 試 験 を 選 択 し [Test]ボタンを 押 します 解 析 が 終 了 する と 結 果 (Pass, Fail)が 表 示 されます 結 果 画 面 下 部 の[HTML]ボタンを 押 すと 解 析 結 果 が HTML 形 式 で 表 示 されます 保 存 した 波 形 データをDate File に 設 定 します Verify Valid Data Fileを 押 すと データ 形 式 の 確 認 が 行 われ そ の 後 Testボタンがアクティブにな ります TechnologyおよびTemplate FIleで 対 象 のDUTと 仕 様 を 選 択 します Apps Settings and Debug Modeを 設 定 ( 次 図 を 参 照 )してからTest ボタンを 押 します 図 3.34 波 形 データ 形 式 の 確 認 とテンプレートの 選 択 50