PCIe Test Equipment

Industry-leading signal integrity and auto-tuning capabilities.

Peripheral Component Interconnect Express (PCIe) is the industry-standard high-speed computer bus architecture used to connect processors to peripherals, memory and other components. PCIe, now in its fifth generation with the release of PCIe 5.0, provides separate links to each connected device using a point-to-point topology.

With each successive iteration of PCIe, the speed and bandwidth have doubled, making the PCIe testing process more challenging as data capture, storage and visualization processes grow in complexity. Since the release of PCIe 1.0 in 2003, PCIe testing tools have continually adapted and improved to meet these challenges. Today, a full suite of PCIe test equipment is available to enable accurate and efficient PCI Express troubleshooting and testing.

NVME Over Fabrics – Outside Architecture

Produkte

Xgig5P8 Analyzer/Jammer Platform for PCI Express 5.0
Provides full-speed 32Gbps data capture, enabling detailed functional and performance analysis of PCIe protocol
XGIG 4K PCIe 4.0 Platform
The most powerful PCIe Gen 4.0 analysis system available, offering complete visibility into traffic flows with advanced trace and analysis and jamming capabilities.
The most powerful PCIe and NVMe analysis system available, offering complete visibility into traffic flows with advanced trace and analysis capabilities.
Expert software comes standard with all Xgig Analyzers to provide a unique and robust set of debugging and analysis capabilities specifically designed to accelerate and simplify device development and troubleshooting.
The Xgig® Jammer manipulates live network traffic to simulate errors in real time, enabling users to verify the responsiveness and robustness of error recovery processes.

Guide to PCIe - Peripheral Component Interconnect Express

  • Was bedeutet PCIe?

    „Peripheral Component Interconnect Express“, abgekürzt zu „PCI Express“, „PCI-E“ oder auch „PCIe“, ist eine High-Speed-Bus-Architektur für den Computer, die für die Verbindung nahezu aller internen Computerkomponenten zum Branchenstandard geworden ist.

    PCIe stellt die Verbindungen zwischen Prozessor oder Prozessoren und Speicher des Computers zu anderen Komponenten und Peripheriegeräten her. Diese Schnittstelle gewährleistet die schnelle serielle Datenübertragung und wurde entwickelt, um ältere parallele Bus-Architekturen, wie PCI und ISA (Industry Standard Architecture), abzulösen. PCIe nutzt einen Bus mit Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, der gegenüber den Vorgängersystemen eine weitaus höhere Datenübertragungsrate gewährleistet.

    In den 1980er Jahren basierte die Bus-Architektur der ersten Computer auf parallelen Datenpfaden, die den Hauptprozessor (CPU) mit allen Komponenten verbanden.

    Ende der 1990er Jahre wurden die Vorgänger von PCIe entwickelt. Sie integrierten den vertrauten Formfaktor der Geräte-Steckkarten in die entsprechenden Steckplätze (Slot) auf der Hauptplatine (Mainboard). Der PCI-Bus stand in 32- und 64-Bit-Ausführungen zur Verfügung, während der AGP-Anschluss (Accelerated Graphics Port) speziell für den Grafik-Controller entwickelt wurde, der eine größere Bandbreite benötigte, als der PCI-Bus bereitstellen konnte. Heute wurden beide Schnittstellen größtenteils durch PCIe ersetzt.

    Anfang der 2000er Jahre hatte der rasant wachsende Bedarf der internen Hardware und der Peripheriegeräte an Rechenleistung zur Entwicklung der nächsten PCI-Generation, die als PCI Express, PCIe oder PCIe bezeichnet wurde, geführt. Der größte Vorteil von PCIe gegenüber dem konventionellen PCI besteht darin, dass die neue Architektur auf eine parallele Schnittstelle, wie bei PCI, verzichtet und stattdessen eine serielle Schnittstelle verwendet. . Ein weiterer Vorteil ist, dass PCIe kein geteiltes (shared) Bus-System nutzt, sondern zu jedem angeschlossenen Gerät eine individuelle Punkt-zu-Punkt-Verbindung herstellt.

    Durch die Bereitstellung mehrerer Datenübertragungskanäle (Lanes) zu den angeschlossenen Geräten konnte die Übertragungsrate weiter erhöht werden. In Abhängigkeit von der Anzahl der zugewiesenen Datenport-Anschlüsse bewirkt jede weitere Lane eine entsprechende Erhöhung des Übertragungsvolumens, d. h. x1 (um 1) bis zu x16 (um das 16-fache). Damit war es möglich, die Daten von Punkt A zu Punkt B gleichzeitig auf mehreren Datenpfaden zu übertragen, wenn die benötigte Kapazität erforderte.

    Mit der zunehmenden Verbreitung und Beliebtheit von PCIe als De-facto-Standard ist diese Schnittstelle von einer Vielzahl von Funktionskomponenten wie USB, Bluetooth und Videokarten übernommen worden. Video-Controller und Speichergeräte sind Beispiele für Technologien, die mit der Einführung der PCIe-Architektur erst möglich wurden. Das zeigt sich an der Grafikdarstellung und Computerleistung, die sich in den vergangenen zehn Jahren deutlich verbessert haben.

  • PCIe-Architektur

    Die mit PCIe verbundenen technischen Meilensteine haben deutlich höhere Datenübertragungsraten als beim PCI-Bus ermöglicht. Jede neue Version von PCIe hat diesen Trend noch verstärkt. Während die herkömmliche PCI-Architektur gemeinsame Adress-, Daten- und Kommando-Leitungen nutzte, stellt die Punkt-zu-Punkt-Topologie von PCIe jedem angeschlossenen Gerät separate Verbindungen zur Verfügung. Dadurch wird es durch eventuelle Leistungsbeschränkungen anderer Komponenten nicht beeinträchtigt

    Die PCIe-Verbindung teilt die Datenübertragung in Pakete auf. Hierbei kommt der Transaktionsschicht des PCIe-Ports die Aufgabe zu, die Paketierung und De-Paketierung der Daten auszuführen. Dieser Unterschied in der elektrischen Signalisierung von PCI-E im Unterschied zu PCI erforderte einen vollkommen neuen Aufbau der Elektronik und Steckverbindungen, so dass PCIe-Slots nicht für PCI-Karten nutzbar sind.

    PCIE Architecture – Inside Server
    PCIE Architecture – Inside Server


    NVME Over Fabrics – Outside Architecture
    NVME Over Fabrics – Outside Architecture

  • PCIe-Formate, Versions, and Sizes

    Für PCIe wurden mehrere unterschiedliche Formate mit leicht unterschiedlichen Bezeichnungen entwickelt. Jeder Anwender sollte wissen, was diese PCIe-Formate oder -Versionen im Hinblick auf die Anzahl der Lanes und die Länge der Steckplätze bedeuten, um zu verstehen, welche Erweiterungskarte zu seinem System passt oder nicht.

    PCIe-Versionen

    Seit der Einführung von PCIe 1.0 im Jahr 2002 sind nacheinander weitere Versionen eingeführt worden, um der wachsenden Nachfrage nach Bandbreite und Frequenz gerecht zu werden. Version 1.0 bot eine verfügbare Bandbreite von knapp 8 GB/s für die insgesamt 16 Lanes. Die Frequenz betrug 2,5 GHz. Mit jeder neuen Version verdoppelte sich die Gesamtbandbreite, so dass sich die Frequenz der 2017 eingeführten Version PCIe 4.0 auf 16 GHz erhöhte, um eine Bandbreite von 64 GB/s zu unterstützen. Diese „gewohnheitsmäßige“ Verdopplung wird mit PCIe 5.0, das 2019 eingeführt wird, fortgesetzt. Neben den Leistungsverbesserungen stellt jede neue Version auch neue Funktionen und eine höhere Energieeffizienz zu Verfügung.

    Das anspruchsvolle Vorhaben, im Abstand weniger Jahre die Bandbreite zu verdoppeln, damit der PCI-Bus nicht zum Engpass wird, da die Prozessorgeschwindigkeit und der Speicher sich rasant weiterentwickeln, stellt die Produktdesigner vor neue Herausforderungen. Mit der Bandbreite steigt auch das Risiko möglicher Störungen durch Nebensprechen und elektrische Unterbrechungen. Daher dringt man mit den Materialien und Design-Innovationen bis an die Grenzen des technisch Machbaren vor.

    PCI-Express-Größen

    Die Abmessungen der PCIe-Karte sowie die Anzahl der Steckkontakte (Pins) sind durch die Anzahl der Lanes und Verbindungen vorgegeben. Das gilt für alle PCIe-Versionen. Heute stehen die folgenden PCIe-Größen mit der entsprechenden Pin-Anzahl zur Verfügung:

    TypLängePin-Anzahl
    PCI Express x125mm18
    PCI Express x439mm32
    PCI Express x856mm49
    PCI Express x1689mm82

    Im Unterschied zu PCI kann eine PCIe-Karte in einen beliebig langen PCIe-Steckplatz gesteckt werden, der nur nicht kürzer als die Karte sein darf. Das bedeutet, dass eine x1-Karte für einen x1-, x4-, x8- oder x16-Slot genutzt werden kann. Im Umkehrschluss heißt das, dass eine x16-Karte beispielsweise in einen x4-Slot gesteckt werden kann, doch nur wenn dieser Slot als „offener“ Steckplatz ohne abschließenden Steg konfiguriert ist. In diesem Fall wäre die Bandbreite jedoch auf die Kapazität einer x4-Karte begrenzt.

    Die der PCIe-Karte zur Verfügung gestellte Bandbreite ist vom CPU bzw. dem PCIe-Controller auf dem Mainboard abhängig. Das bedeutet, dass eine 3.0-Karte nur mit der Bandbreite einer 2.0-Karte betrieben wird, wenn der Controller für die Version 2.0 konfiguriert wurde.

  • PCIe Test Challenges

    While the original PCIe 1.0 had an available bandwidth of just 8GB/sec, doubling the speed with each iteration has raised the bar for PCI Express 5.0 to 128GB/sec over 16 lanes of traffic. As the bandwidth increases, so does the potential for crosstalk and discontinuity, making recent innovations in PCB trace materials and lane margining a prerequisite for this rapid evolution. The versatility of the PCIe format is another important factor, and the focus on interchangeability has influenced the designers of PCIe test equipment and hardware in equal measure. Backwards compatibility between PCIe revisions has remained a hallmark, and slot sizes of 1x through 16x are congruous with any size PCIe card, with the smaller of the two items dictating the bandwidth availability.

    PCIe and NVMe

    Non-Volatile Memory Express (NVMe) is the solid-state memory protocol developed specifically for use with PCI Express. “Non-volatile” in this context refers to memory that does not require power to retain data. NVMe has leveraged the PCIe architectural advantages to obtain read and write speeds more than twice as fast as a 12Gbps SAS interface. Instead of utilizing a traditional I/O controller, NVMe leverages a direct connection to the CPU via PCIe. In order to test the PCIe/NVMe combination effectively, PCIe test equipment with high-end memory capacity and segmentation features is integral to accurate NVMe traffic decoding.

    The use of NVMe over Fabrics (NVMe-oF) has introduced additional PCIe test challenges by increasing the range between the NVMe storage device and host, while maintaining a goal of 10µs or less of additional latency introduction. Although the NVMe-oF specification is inherently similar to the NVMe base specification, characterizing the transport mechanisms adds additional complexity. Utilizing the appropriate PCIe/Ethernet/Fibre Channel Analyzer/Jammer test equipment at both the NVMe Enabled Host and NVMe Device ends of the circuit is a recommended best practice.

    PCI Express 4.0

    Released in October of 2017, PCI Express 4.0 brought improvements such as lane margining and latency reduction to go along with the customary speed and bandwidth improvements inherent to each new PCIe generation. Extended tags and credits and enhanced I/O virtualization are additional enhancements included with the PCIe 4.0 release that will continue to be optimized with each successive generation. The adoption of PCIe 4.0 has given added visibility to many of the PCI Express test challenges brought about by increased speed and resultant insertion loss and margining requirements. Traffic flow monitoring, data storage and error detection functions require a higher performance standard from PCIe test tools, and this trend has continued unabated with PCIe 5.0 and beyond.

    PCI Express 5.0

    The release of PCIe 5.0 in May of 2019 followed an accelerated development cycle focused on achieving the requisite two-fold increase in speed and bandwidth while minimizing new features or significant architectural changes. PCIe Gen 5 has continued with the 128b/130b encoding scheme, NRZ signaling and jitter parameters of PCIe 4.0. To complement the 2X speed increase, electrical design emphasis was placed on signal integrity and equalization. The resulting combination of I/O throughput and performance has made PCIe 5.0 a viable option for 400G Ethernet links and demanding cloud-based applications.

    Valuable Possibilities with PCIe Test Equipment

    Since the release of PCIe 1.0, the challenge of effective PCIe testing has been addressed through the development of a versatile assortment of PCIe test equipment and software. These tools have been designed to accurately measure performance, rapidly detect issues and simulate use conditions for robust and comprehensive analysis. New and innovative protocol/jammer combinations have proven to be the ideal complement for complex use conditions such as NVMe-oF.

    Analyzers with detailed visibility into traffic flow and link performance enable comprehensive verification of the PCIe 5.0 protocol while supporting the burgeoning test solution requirements for transfer speed and memory. Jamming tools with the capability to manipulate live traffic create a robust level of simulation that otherwise would not be possible. The software behind these cutting-edge PCIe tools continues to tie it all together, with ever-improving interface and reporting enhancements that seamlessly unite the operator with the PCIe test case.

  • PCI-SIG

    The PCI Special Interest Group (PCI-SIG) defines the specifications and compliance testing required to guarantee interoperability of PCI Express systems. The group was formed in 1992 and now has over 800 member companies developing products based on PCI-SIG released specifications. These specifications are free to their member organizations or individuals. PCI-SIG also offers PCIe testing and compliance workshops. The PCI-SIG compliance library includes a comprehensive list of recommended equipment.

    The PCI Express test categories included in the PCI-SIG specifications include electrical testing, configuration testing, link protocol testing, transaction protocol testing and platform BIOS testing. Channel topologies have become much more complex as the data rates have increased. Using simulation to optimize power and signal integrity is a recommended practice for PCIe link evaluation. Determining whether data packets are reliably transferred can be performed by utilizing protocol validation at the physical layer. Transaction protocol testing can debug unwanted errors and ensure PCI-SIG compliance.

  • PCIe Test Tools

    A wide array of PCIe test tools are now available. With each successive generation, PCI Express test equipment has evolved to meet the increasingly stringent demands. Feature-rich tools from industry-leading PCIe test equipment suppliers are ideally portable and rugged, with readily-available training and certification. Given the backwards-compatible nature of the PCIe interface, interoperability for multiple sizes and versions and rapid upgradability are other overall characteristics of outstanding PCIe test equipment.

    Jammers

    A jammer can manipulate live traffic to simulate errors in real time. The term “jamming” originated in the early 20th century to describe the deliberate interference introduced to disrupt enemy communication lines. For PCIe testing, a jammer is an inline error injection tool that can simulate real-world conditions and shorten test cycles. Often using pre-defined automated test scripts, a jammer can recreate a wide variety of error-testing scenarios.

    Jammers such as the Xgig are highly intelligent and protocol aware, and can utilize conditional jamming to maintain control over the test process and ensure comprehensive test coverage. Working in conjunction with a protocol analyzer or other PCIe tester, the jammer produces discernable triggers at the error injection points. By introducing errors into real-world environments, the responsiveness and efficacy of the error recovery process can be accurately discerned.

    Analyzers

    The protocol analyzer is a versatile PCI Express tool for bus throughput and link performance measurement as well as packet monitoring and recording. Additional triggering, error reporting and filtering features can enable rapid error identification. Jamming capabilities can artificially create latencies and retransmissions to exercise error-detection capabilities.

    Powerful analyzers with advanced trace analysis, traffic flow visibility and memory segmentation features are invaluable. The Xgig 4K16 Protocol Analyzer/Jammer allows simultaneous error injection and protocol analysis. Interoperability features include lane width support for x1, x2, x4, x8 and x16. Users are alerted to errors at every layer of the stack and advanced memory utilization empowers the simultaneous capture of multiple traces.

    Software

    PCIe test software is the backbone upon which protocol analyzer and jammer technology has continued to meet the increasing speed, functionality and versatility requirements. Well-designed software can automate repetitive functions, create customized routines based on released specifications and integrate multiple tools for seamless functionality. Advanced reporting software can simplify complex data analysis and facilitate optimized interpretation.

    The Xgig Expert software provided with all Xgig analyzers creates a user-friendly interface that aids in rapid data interpretation, debugging and troubleshooting. The software efficiently sorts through captured events to characterize performance and interoperability issues, identify physical layer issues including protocol violations and organize results into comprehensive reports on demand. Additional reporting software can enable efficient data filtering, analysis and presentation capabilities.

  • PCI Express Troubleshooting

    Troubleshooting PCIe failures can often become a challenging task. Fortunately, many readily-available PCIe tools also provide exceptional debugging and troubleshooting capabilities. Keys to effective PCIe testing and troubleshooting include increased visibility of traffic flow and insight into the most commonly observed hardware issues. These issues include link speed problems such as equalization failures, traffic issues and quality issues observed after recovery. Error-reporting software can detect and log application-specific errors and characterize error types, such as time-outs and data transfer stops.

    A protocol analyzer equipped with analytical software can become an important and effective PCIe troubleshooting tool. The analyzer will enable the easy view of traffic flow and historical data necessary to pinpoint issues and chronology. The analyzer also has powerful trigger conditions with the ability to capture extremely long sequences and filtering capabilities for specific packets that further enhance investigative prowess. The logging of time-ordered sequences facilitates troubleshooting by detailing events directly before and after reported errors.

  • Valuable Possibilities with PCIe Test Equipment

    Since the release of PCIe 1.0, the challenge of effective PCIe testing has been addressed through the ongoing development of a versatile assortment of PCIe test equipment and software. These tools have been designed to accurately measure performance, rapidly detect issues and simulate use conditions for robust and comprehensive analysis. New and innovative protocol/jammer combinations have proven to be the ideal complement for complex use conditions such as NVMe-oF.

    Analyzers with a high level of visibility into traffic flow and advanced trace analysis will continue to be invaluable test tools with the upcoming release of PCIe 5.0. Jamming tools with the capability to manipulate live traffic create a robust level of simulation that otherwise would not be possible. The software behind these cutting-edge PCIe tools continues to tie it all together, with ever-improving interface and reporting enhancements that seamlessly unite the operator with the PCIe test case.

  • Die Zukunft von PCIe

    Die unmittelbare Zukunft von PCIe wird durch das nächste Release von PCIe 5.0 im Jahr 2019 bestimmt. Diese neue Revision wird wie schon ihre Vorgänger die verfügbare Bandbreite der aktuellen Version 4.0 verdoppeln. Neben dieser Leistungssteigerung wird sich PCIe 5.0 physisch durch kürzere Aussparungen (Keys) unterscheiden und auf der Leiterplatte werden bessere Materialien zum Einsatz kommen. PCIe 5.0 wird zu PCI-E 3.0 und 4.0 abwärtskompatibel sein. Daher sind für die Mainboards und Adapterkarten nicht sofort Upgrades erforderlich. Dass die Hardware-Designer und -Hersteller in ihren neuesten Angeboten weiter die PCIe-Schnittstelle berücksichtigen, stärkt deren Position als De-facto-Standard.

    Rechenleistung und Speicher entwickeln sich jedoch in atemberaubendem Tempo weiter. Bisher ist es dem PCIe-Bus gelungen, mit diesem Tempo Schritt zu halten, aber der Abstand vergrößert sich. In nicht allzu ferner Zukunft werden Innovationen bei der Datenübertragung dazu führen, dass uns der heute so vertraute „High-Speed“-Bus wie ein Bummelzug erscheint. Vielleicht spielt keine andere Computer-Technologie eine so bedeutende Rolle wie der PCIe-Bus, wenn es darum geht, die Nachfrage nach einer immer höheren Geschwindigkeit und Bandbreite zu erfüllen. Daher stehen die Designer auf absehbare Zeit weiter unter großem Druck, neue Meilensteine im PCIe-Leistungspotenzial zu setzen.

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