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El desafío reside fundamentalmente en el diseño de las placas

Depuración efectiva en interfaces USB 3.1 y PCIe

Guido Schulze, Rohde&Schwarz

09/04/2018
Los osciloscopios R&S RTO de 6 GHz miden interfaces digitales rápidas, como USB 3.1 Gen.1 y PCIe 2.0, con velocidades de transmisión de hasta 5 Gbit/s. Por tanto, son perfectos para comprobar la integridad de señal en líneas de datos de alta velocidad, así como para la depuración a nivel de protocolo.
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El aumento de los volúmenes de datos, así como de sus velocidades de procesamiento e intercambio, constituye un desafío cada vez mayor para los desarrolladores de circuitos. Las interfaces de datos rápidas más utilizadas son las interfaces de memoria DDR (DDR2, 3 y 4, incluidas las variantes de baja potencia), así como las interfaces en serie USB y PCI Express (PCIe).

Hoy en día, la interfaz USB está por doquier y sus aplicaciones abarcan desde los PC estándar y la electrónica de consumo, hasta la industria automovilística, la fabricación industrial o la tecnología médica. La interfaz USB ofrece, además de velocidades de transmisión elevadas de 5 Gbit/s con el estándar 3.1 Gen.1 (SuperSpeed) y de 10 Gbit/s con Gen.2 (SuperSpeed+), funciones optimizadas de suministro de corriente y de carga con la especificación USB Power Delivery. Otra de sus importantes innovaciones es el sistema de conectores estandarizado. La unidad USB tipo C presenta un diseño delgado y es apta para dispositivos móviles. Puede conectarse siguiendo cualquier orientación, alcanzar velocidades de transmisión elevadas y trabajar con hasta 100 W (5 A y 20 V con el modo Power Delivery). Además, es compatible con DisplayPort y Thunderbold.

También es cada vez más popular la interfaz PCIe. Desarrollada originalmente para la industria de los PC, hoy en día la encontramos en numerosas aplicaciones incorporadas para conectar equipos y componentes adicionales a la CPU o para convertir USB o UART a PCIe. Está a punto de lanzarse la potente versión PCIe Gen. 4, capaz de transmitir datos a una velocidad de 16 GT/s. Sin embargo, para las aplicaciones incorporadas son adecuadas también las interfaces de la primera y segunda generación, capaces de operar a 2,5 GT/s y 5 GT/s, respectivamente. Por lo general, cada nueva generación de interfaces admite los modos operativos de las generaciones precedentes. Por ello, hoy en día abundan dispositivos que anuncian disponer de interfaces de 2.ª o 3.ª generación pero que, en la aplicación dedicada, únicamente utilizan la velocidad máxima de 2,5 GT/s de la 1.ª generación, y, por lo tanto, deben probarse a esa velocidad.

El desafío de la integridad de las señales

La transmisión segura de los datos a través de una interfaz digital en serie, como USB o PCIe, se basa en la correcta transferencia de las señales binarias en la capa física. En la cadena de transmisión son determinantes el transmisor, la línea de transmisión y el receptor. Los desarrolladores deben garantizar que las señales en estos componentes sean conformes con los correspondientes estándares de la interfaz.

En la práctica, el desafío reside fundamentalmente en el diseño de las placas. Por un lado, se debe observar la integridad de las señales en las líneas de transmisión, ya que, por ejemplo, los conectores, las vías o los relés afectan la transmisión de las señales a través de las líneas conductoras de la placa o cables. Por otro lado, la interfaz de datos rápida se debe proteger también frente a las interferencias causadas por módulos próximos. Si, por ejemplo, las líneas de señal adyacentes están dispuestas demasiado juntas, se pueden producir diafonías, aunque USB y PCIe utilicen señales diferenciales.

Por lo general, los transmisores y receptores son componentes estándar cuyas especificaciones han sido comprobadas por el fabricante. No obstante, se pueden producir errores en las conexiones, así como en la calidad y estabilidad del reloj de referencia o de la alimentación de voltaje, por lo que estos también se deben evaluar en el proceso de desarrollo de la placa.

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Fig. 1: Formación de un diagrama de ojo a partir de una señal de datos (UI = 1/velocidad de transmisión). Fig. 2: Máscara de ojo de la especificación para PCIe 2.0 (modo 2,5 GT/s).

Garantizar la integridad de las señales usando diagramas de ojo e histogramas

Un método eficaz para evaluar la calidad de señal consiste en representar la señal digital en forma de diagrama de ojo. En este caso, los bits de señal se superponen uno sobre otro y se acumulan visualmente. Las distintas transiciones de bits de 0 a 1 y de 1 a 0 generan el típico diagrama de ojo (fig. 1). En este diagrama se pueden observar varios parámetros de calidad de una transmisión de señal. El eje horizontal, por ejemplo, muestra la abertura del ojo en el tiempo y la fluctuación de fase o jitter en los laterales (transiciones de bits), así como la abertura vertical del ojo y el ruido en el eje vertical.

Los estándares de interfaz para USB y PCIe definen máscaras para las pruebas de diagramas de ojo con las que se puede comprobar fácilmente si se ha obtenido la mínima abertura de ojo necesaria para una transmisión de datos fiable. La figura 2 muestra un ejemplo de la especificación PCIe CEM Gen.2 con una velocidad de transferencia de 2,5 Gbit/s.

Histogramas complementarios permiten a los desarrolladores de circuitos identificar detalles interesantes sobre la distribución del jitter y del ruido de amplitud observando las transiciones de bits de forma horizontal y el centro del ojo de forma vertical. La figura 3 muestra una medición correspondiente con el osciloscopio de 6 GHz R&S RTO. La señal procede de una tarjeta de PC con una interfaz de tipo PCIe Gen.2 (modo 2,5 GT/s). El R&S RTO captura formas de onda de un modo mucho más rápido que otros equipos del mercado, lo que le permite capturar varios millones de bits en cuestión de segundos y utilizarlos para representar el diagrama de ojo. La visualización en color (persistencia) visibiliza transiciones de señal frecuentes e inusuales. En el centro del ojo se sitúa la máscara que corresponde a la especificación PCIe utilizada. El software registra las infracciones del esquema de ojo y muestra distintos detalles como el número de capturas de formas de onda, infracciones de máscara y las correspondientes tasas de error. En el histograma se observa además una distribución de jitter gaussiana en el lado derecho del ojo. En el histograma se pueden realizar otras mediciones como jitter de pico a pico (máx.-mín.) o jitter RMS (S-dev).

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Fig. 3: Diagrama de ojo de una señal conforme a PCIe Gen.2 (2,5 GT/s) con prueba de máscara e histograma; medido con el osciloscopio R&S RTO2064.

Sistema de disparo de CDR para pruebas rápidas de diagrama de ojo

Se requiere una referencia temporal para superponer correctamente las secuencias de bits del diagrama de ojo. En interfaces de datos paralelas como, por ejemplo, memorias DDR, además de los datos se transfiere una señal de reloj que indica para cada bit de datos el momento exacto de inicio y fin de la transmisión. En los buses de datos en serie, como USB o PCIe, el reloj de referencia está integrado en la señal de datos (reloj embebido) y el receptor debe recuperarlo por CDR (clock data recovery). El receptor utiliza la señal de reloj obtenida de este modo para explorar el flujo de datos entrante. La CDR utiliza un componente de regulación, como PLL (phase-locked loop) o DLL (delay-locked loop), para hacer el seguimiento de las variaciones de frecuencia (por lo general, de menos de 1 MHz hasta 10 MHz). Esta capacidad de compensar variaciones de frecuencia es excelente para garantizar la estabilidad en la transferencia de datos, pero dificulta las pruebas. El enfoque tradicional de utilizar el reloj del propio instrumento como referencia reduce el margen de la prueba o incluso la imposibilita. Además, algunos estándares utilizan modulación de frecuencia como, por ejemplo, el reloj con dispersión en espectro (spread spectrum clocking) de PCIe (modulación triangular de ~30 kHz) para reducir la emisión eléctrica.

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Fig. 4: La CDR de hardware configurable del osciloscopio R&S RTO.

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Fig. 5: Selección de la CDR (clock data recovery) como fuente de disparo al utilizar la opción hardware CDR R&S-RTO-K13.

Por todos estos motivos, para realizar ensayos exitosos en señales de reloj embebido también se debe tener en cuenta el comportamiento de la CDR del receptor. Los usuarios del R&S RTO cuentan con la ventaja de que este osciloscopio, equipado con la opción R&S RTO-K13, usa una CDR implementada en hardware para visualizar el diagrama de ojo. Se puede programar su comportamiento en cuanto a orden de PLL, ancho de banda y factor de amortiguamiento, lo que permite realizar ensayos según distintas especificaciones de protocolos que describen en detalle la CDR del receptor (fig. 4). Al utilizar esta opción de CDR en hardware, se aplica como fuente de disparo la señal de reloj extraída de la CDR (fig. 5), garantizando así la sincronía de los bits de datos respecto a las señales del reloj embebido. Con un offset de intervalo unidad (UI) de 0,5, el momento de disparo se puede ajustar en el centro del ojo (fig. 4).

Debido a la elevada velocidad de adquisición del R&S RTO (hasta 1 millón de formas de onda por segundo), con la CDR implementada en el hardware se consigue superponer en el diagrama de ojo con gran rapidez un elevado número de bits de datos, con lo que los resultados presentan una elevada seguridad estadística. Los análisis de CDR tradicionales basados en software no se ejecutan mientras no se haya posprocesado cada forma de onda, un procedimiento que comporta más tiempo. Otra de las ventajas de la solución R&S RTO radica en que su CDR implementada en hardware está en funcionamiento constante y su comportamiento es regular en todas las capturas. En cambio, el algoritmo PLL de una CDR basada en software tiene que reiniciarse con cada captura nueva, con lo que las muestras al inicio de la forma de onda son inservibles.

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Fig. 6: Módulos de puntas para la sonda de banda ancha R&S RT-ZM.

Evitar errores en los contactos

Un aspecto decisivo para obtener resultados fiables en las mediciones de señales rápidas es que la sonda haga buen contacto. Las sondas modulares de Rohde & Schwarz, como la sonda de banda ancha R&S RT-ZM, disponen de diferentes puntas que brindan distintas opciones de contacto (fig. 6). El método más popular consiste en la soldadura de una punta (fig. 7). Por lo general, en todos los procedimientos se debe procurar que los contactos sean lo más cortos posible a fin de minimizar inductancias y capacidades adicionales. Este es también el caso de las uniones por soldadura: los contactos no deben medir más de dos o tres milímetros.

Las interfaces de datos rápidas utilizan sobre todo líneas diferenciales para la transmisión de señales. Las dos señales UP y UN se captan para ello con una sonda diferencial. Es muy recomendable usar una conexión a tierra adicional con el fin de brindar estabilidad y fiabilidad al entorno de medición con un mínimo de efectos parasitarios y un buen rechazo en modo común (CMRR, common mode rejection ratio).

Si se conecta la sonda de banda ancha R&S RT-ZM a las señales UP y UN y también a masa, la funcionalidad multimodo del osciloscopio permite al usuario cambiar de la medición diferencial a una referida a masa tanto en UP como en UN, o bien a una medición directa del voltaje en modo común (fig. 8), todo esto sin tener que cambiar la conexión.

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Fig. 7: Contacto en una interfaz de alta velocidad usando el módulo de punta soldado R&S RT-ZMA10.

Pruebas de conformidad para USB y PCIe

Las organizaciones de normalización, como el USB Implementers Forum (USB-IF) o el PCISig, definen pruebas de conformidad para las distintas interfaces. Para las mediciones de integridad de señales, estas pruebas exigen que los osciloscopios utilizados cubran con su ancho de banda de forma típica el quinto armónico de la señal de datos. Esto significa que, por ejemplo, si tenemos una señal de datos de alta velocidad USB con una velocidad de transferencia de 480 Mbit/s, un osciloscopio adecuado deberá tener un ancho de banda de como mínimo 1,2 GHz (480 Mbit/s corresponden a una frecuencia de 240 MHz, multiplicada por 5). Por tanto, con sus 6 GHz de ancho de banda, el osciloscopio R&S RTO es apto para pruebas de conformidad de 2,5 Gbit/s de velocidad de transferencia máxima. Rohde & Schwarz ofrece para este tipo de pruebas opciones de software que van guiando al usuario en las mediciones y que, una vez realizadas, generan el correspondiente informe de resultados (fig. 9). Para USB 2.0 se dispone de la opción R&S RTO-K24. Para PCIe, la opción R&S RTO-K81 cubre las pruebas de conformidad de las generaciones de interfaz 1 y 2 de hasta 2,5 Gbit/s de velocidad de transferencia máxima.

Durante las pruebas de conformidad se usan tarjetas de fijación para conectar los dispositivos. Para las pruebas de USB 2.0, Rohde & Schwarz ofrece el set de tarjetas R&S RT-ZF1 (fig. 10) que se puede usar en varios entornos y que ofrece las conexiones adecuadas para ensayos de alta velocidad y de modelos anteriores para dispositivos USB, concentradores USB (hubs) y servidores USB (hosts). Específicamente para la prueba de calidad de señal de alta velocidad se necesita el set ‘USB 2.0 hi-speed signal quality test fixture’, facilitado de forma exclusiva por USB.org.

En general, las tarjetas de prueba certificadas para PCIe únicamente se pueden obtener del consorcio PCISig, tanto para la prueba de placas base PCIe (PCI express compliance load board, CLB) como para tarjetas de expansión (PCI express compliance base board, CBB). Se dispone de tarjetas CLB / CBB para cada una de las generaciones PCIe. Las tarjetas de las últimas generaciones son compatibles con las anteriores.

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Fig. 8: Configuraciones multimodo de la sonda de banda ancha R&S RT-ZM.

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Fig. 9: Ejemplo de una prueba de conformidad PCIe (izquierda) guiada paso a paso e informe detallado.

Decodificación y disparo de protocolo para la depuración durante la puesta en servicio

Es fundamental analizar los datos de protocolos y la integridad de señal de circuitos con interfaces USB o PCIe. En general, los errores suelen darse al establecer la conexión de interfaces entre transmisor y receptor o al recibir datos erróneos. Al establecer la comunicación, las interfaces en serie, como USB o PCIe, se someten a un proceso (handshake) en que ambos participantes adaptan sus capacidades en cuanto a velocidad de transmisión, etc., y definen las funciones de transferencia correspondientes.

Con ayuda de una opción de decodificación de protocolo para el osciloscopio R&S RTO, los desarrolladores pueden adquirir y evaluar las secuencias en detalle. Mediante el disparo dirigido a elementos concretos del protocolo, se pueden adquirir datos de otras interfaces y bloques funcionales, y analizarlos en relación al tiempo.

Sirva como ejemplo el análisis de protocolo en una interfaz según USB 3.1 Gen.1 con la opción de disparo y decodificación R&S RTO-K61. En la figura 11 se aprecia la facilidad con que se configura la decodificación. El usuario selecciona el canal y la polaridad de la señal diferencial (muy importante en caso de que sea necesario invertir la señal con la sonda soldada al revés). Después solo tiene que comprobar que los umbrales de conmutación de los unos y ceros lógicos se sitúen correctamente en el centro de la señal para obtener buenos resultados de decodificación. El software define automáticamente la configuración PLL para la recuperación de la señal de reloj conforme al estándar USB que corresponda. En el paso siguiente, usa la señal extraída del reloj embebido y la toma como referencia para definir los límites de bits y palabras de cada captura de señal, para ejecutar finalmente la decodificación.

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Fig. 10: Set de tarjetas de fijación para USB 2.0 de Rohde & Schwarz. Fig. 11: Diálogo de configuración para la decodificación de USB 3.1 Gen.1 con la opción R&S RTO-K61

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Fig. 12: Definición de disparo para un encabezado de paquete de datos según USB 3.1 Gen.1.

El resultado se muestra a modo de ejemplo en la figura 13. En la parte superior se observan ráfagas de datos con detalles ampliados. La decodificación correspondiente se encuentra en la parte central de la pantalla; con los detalles del protocolo ampliados (zoom). Para facilitar la legibilidad, se utilizan colores para diferenciar los distintos elementos del protocolo. Los datos del protocolo se pueden mostrar también en forma tabular. Para cada trama de datos se dispone de detalles de protocolo adicionales.

Además de la decodificación del protocolo se puede realizar un disparo en los detalles de protocolo. Como se muestra en la figura 12, se puede elegir entre diferentes elementos de protocolo, como inicio de trama, contenidos o errores de trama. Mediante el disparo dirigido a elementos de protocolo concretos se pueden adquirir y analizar en correlación temporal los datos de otras interfaces y bloques funcionales. En diseños embebidos compactos se pueden localizar así interferencias recíprocas de otras unidades funcionales, como interfaces en serie, sensores analógicos, interfaces radioeléctricas, alimentaciones de voltaje, etc. Los osciloscopios de Rohde & Schwarz ofrecen este tipo de depuraciones complejas gracias a su capacidad multidominio. El tradicional análisis en el dominio temporal de un osciloscopio se combina con el análisis de protocolo, lógico y espectral, e incluso con generadores de funciones y patrones, todo en un único instrumento.

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Fig. 13: Ejemplo de decodificación de datos según USB 3.1 Gen.1.

Resumen

La integración de buses de datos rápidos constituye un nuevo desafío para los desarrolladores de circuitos durante su diseño y verificación. Rohde & Schwarz ofrece con el R&S RTO de 6 GHz y sus sondas modulares de banda ancha una solución de prueba compacta ideal para la verificación eficaz de la integridad de señales y el análisis de datos de protocolos. La velocidad de adquisición elevada, sus potentes herramientas de análisis (como prueba de máscara e histograma) y su variedad de opciones (como CDR implementada en hardware y funciones de disparo y decodificación de protocolos) permiten obtener resultados rápidos.

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