引 言

PCIe是一個在很多領域中都有著廣泛且重要應用的接口，經過十幾年的發展，PCIe接口已經從1.0發展到現在的3.0，4.0也已即將開始應用。PCIe技術的物理層基于串行SerDes技術，因此用極少的物理連線就可以實現高速的數據傳輸。筆者在前段時間碰上了兩個PCIe接口失效的問題，第一個經過分析是PCIe的ESD防護沒有做好導致通訊中斷，第二個是電源負載過大導致PCIe供電異常，FPGA PCIe IPCORE邏輯時鐘失鎖。現把這兩個問題的定位和解決過程與讀者一同分享。

 1.系統概述及問題描述

現簡略的介紹該系統，其簡略框圖如下：

該系統由兩個模塊組成，前端模塊可插拔，在插入后會傳輸信號給FPGA，信號經過前端接收，A/D采樣后進入FPGA做信號處理，然后FPGA把處理過的信號通過PCIe接口傳送給工控機進行后處理及顯示。工控機也會通過PCIe接口控制FPGA的工作狀態。前端的模塊是可插拔的。

第一個問題是該機器在做測試時，發現在換模塊時會偶發的出現工控機與FPGA的通訊異常的現象，該現象出現的頻率很低，測試組的同事反饋在做測試時經常會有換模塊的操作，但該現象基本上幾天才出現一次，雖然該現象概率低，但是問題影響甚為重大，必須攻破。

第二個問題則是系統不接交流電而使用電池運行在某種模式下，在達到10%低電量時，會必發的出現PCIe通訊異常。

 2.第一個問題定位及解決過程

該問題的定位開始是沒有頭緒的，因為問題出現后，PCIe的通訊已經中斷，此時想通過工控機去讀FPGA的調試相關的寄存器已經沒有用，即此時讀上來的值都是無效的。但是還是得先逐步的排除問題。

第一步：是否是軟件的問題

通過閱讀問題發生時的軟件日志，發現在問題發生時，軟件沒有收到中斷請求，這說明在插拔模塊的過程中，PCIe通訊已經失效，模塊插入/拔出的中斷已經無法發出(在模塊插入或者拔出的過程FPGA會檢測，如果發生該事件FPGA會通過PCIe發出中斷給工控機)。且在問題發生時軟件日志的記錄上軟件沒有異常之處，因此排除是軟件的問題。 

第二步：是否是FPGA邏輯的問題

通過在FPGA插入在線邏輯分析儀，把PCIe的運轉狀態機LTSSM加入到在線邏輯分析儀，在發生此問題時觸發觀測LTSSM狀態機。在測試時，復現該問題后發現LTSSM有重新回到復位狀態的動作，因此懷疑此時可能是電源或者是PCIe接口復位信號的問題，因為在正常情況下，如果系統復位信號沒有動作，且上位機沒有重新發送PCIe鏈路訓練命令的話，LTSSM狀態機是不會被復位的。因此該線索把該問題的原因導向到復位信號或電源上。

第三步：監測PCIe接口的復位信號

PCIe接口的電路如下圖所示：

由上圖可以看到，PCIe接口由數據接收差分管腳PCIE_RX_P，PCIE_RX_N，數據發送差分管腳PCIE_TX_P，PCIE_TX_N，以及SMBUS(SMBCLK, SMBDAT)，JTAG管腳，參考時鐘PCIE_REFCLK_P，PCIE_REFCLK_N以及復位管腳PCIE_PERST_N組成。其中JTAG管腳和SMBUS可以不連，參考時鐘也可以選擇用本地時鐘或者選用接插件過來的PCIE_REFCLK_P，PCIE_REFCLK_N。前面提到，由于重點懷疑復位信號有所動作，因此對該復位信號用示波器進行監測。在若干次實驗以后，發現在某次插入模塊后失效時，捕捉到了PCIE復位信號PCIE_PERST_N有一個持續時間約為2.3個us的低電平脈沖，正是該脈沖信號讓FPGA的PCIE IPCORE復位，導致PCIE通訊中斷的原因。該脈沖信號如下圖所示：

該干擾脈沖從何處而來？經過實驗發現是靜電導入。我們在插拔模塊時，由于模塊本身外殼有部分金屬，因此靜電從外殼金屬進來后經過某些路徑耦合到PCIe復位線上，引發了該問題。

問題解決思路：找到問題來源點，解決方法就多種多樣了。在此筆者推薦三種方法一起用：1. 對PCIE_PERST_N復位信號加濾波；2. 做好整機/模塊的ESD保護；3. FPGA對PCIE_PERST_N信號做判斷后再引入FPGA的PCIe IPCORE復位端，即對PCIE_PERST_N信號做低脈沖時間計數，大于規定的ms級低電平才判斷為復位，否則則判斷為干擾信號，FPGA控制邏輯不去復位PCIE IPCORE。

3.第二個問題定位及解決過程

該問題的定位比第一個問題定位簡單。因為該問題是在帶電池低電量時必發，在插上交流電時則沒有該現象，因此可以排除軟件和FPGA邏輯問題，因此把問題聚焦在電源上。通過示波器實地測試，發現在電池低電量且工作于該模式下，電流有突然增大的現象，導致此時電壓跌落，引發FPGA邏輯時鐘失鎖，由于FPGA邏輯的設計是使用邏輯系統時鐘鎖定信號作為PCIe IPCORE部分邏輯的復位信號，因此此時會導致FPGA的PCIe IPCORE被復位，進而產生PCIe通訊失效的現象。現在來分析一下整個過程，該時刻波形記錄如下圖所示：

如上圖所示，黃色的波形為系統電流波形，使用電流探頭測量，綠色和青色波形為模塊某部分調壓波形，非FPGA PCIe供電電壓，在此處可以認為跟筆者的分析無關。比較遺憾的是，這個截圖中沒有記錄下FPGA的供電電壓，有記錄的圖筆者沒有找到。但是該圖可以很明確的分析此時系統電流變化的過程：在某種工作模式下，電流突然急劇上升，此時會造成FPGA供電電壓發生變化，進而導致FPGA邏輯時鐘失鎖，進而造成FPGA邏輯復位，由于此時FPGA邏輯處于復位狀態，寄存器不再翻轉，因而系統供電電流突然急劇下降，此時可以對應到上圖的電流急劇下跌，由于電流下跌，負載減輕導致FPGA工作電壓回復正常，時鐘重新鎖定，FPGA邏輯復位完成，重新工作，因此電流又重新回復到比之前模式切換時的功耗略少的狀態。整個過程是一個鏈式反應，非常清晰的被記錄在示波器上。

問題解決思路：改善電源模塊供電設計，增加裕量。

4.總 結

對于PCIe接口的穩定性設計來說，電源和時鐘是關鍵，在保證了電源和時鐘的穩定性以后，還需要注意對關鍵敏感信號的保護，在有外部接插，觸碰動作介入系統的情況下，注意對PCIe接口的敏感信號，如復位信號的保護是非常有必要的。

 鼎陽硬件智庫專家介紹 

樊繼明,硬件設計與測試從業6年,專長ASIC/FPGA邏輯設計，高速接口(LVDS, 高速SerDes)邏輯設計與驗證,2009年畢業于華南理工大學，工學碩士。曾在通訊行業從事過3年的ASIC設計，主要涉及到光傳送網100G OTN DSP物理層芯片邏輯設計，現在某醫療設備行業從事FPGA邏輯設計，主要聚焦于高速接口以及數字波束合成方面的設計。

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從2005推出第一款數字示波器產品至今，10年來鼎陽科技一直是全球發展速度最快的數字示波器制造商。歷經多年發展，鼎陽產品已擴展到數字示波器、手持示波表、函數/任意波形發生器、頻譜分析儀、臺式萬用表、直流電源等通用測試測量儀器產品。2007年，鼎陽與高端示波器領導者美國力科建立了全球戰略合作伙伴關系。2011年，鼎陽發展成為中國銷量領先的數字示波器制造商。2014年，鼎陽發布了中國首款智能示波器SDS3000系列，引領“人手一臺”型實驗室使用示波器由功能示波器向智能示波器過渡的趨勢。目前，鼎陽已經在美國克利夫蘭和德國漢堡成立分公司，產品遠銷全球70多個國家，SIGLENT正逐步成為全球知名的測試測量儀器品牌。

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