移动终端/消费类电子/汽车电子等相关总线的协议分析和测试工具概述（2）

接移动终端/消费类电子/汽车电子等相关总线的协议分析和测试工具概述（1）

（八）USB 3.0/3.1总线

8.1 协议分析，发包仿真，兼容性测试，PD测试

USB 3.0在手机上已经获得了广泛应用，不仅用于USB PD进行充电，也可以实现数据导入、导出等传输功能。

Ellisys是总部位于瑞士的专业协议分析仪厂商，传统强项为蓝牙Bluetooth，USB，WIFI，DP协议分析和测试，几年前收购了SerialTek以后产品线进一步扩充到计算、存储领域的总线分析，其最新的革命性的PCIe Gen4 协议分析仪Kodiak以及最新的PCIe Ge 5 x16协议分析仪在英国伦敦研发、设计、生产、制造，彻底颠覆了传统协议分析仪的设计架构，大大提高了问题诊断和故障分析的效率，成为Intel, AMD, Broadcom, Micron，Microsoft，Phison以及国内如浪潮Inspur, MemBlaze, 大普Dputech，YMTC等知名公司的首选产品，其Gen4/5协议分析仪无论抓取多大数据（例如144GB），解码时间为1秒钟，即，在1秒钟左右可以实现所有的PCIe协议层（DLLP/TLP）以及NVMe层的全部解码，同时其专利技术的信号处理方式以及无需抓取boot trace即可实现解码分析等功能使得用户可以实现之前老的协议分析仪产品无法达到的功能。

关于PCIe Ge 4/5协议分析仪，可以查询SSDfans之前的文章“2020-09-13 没想到PCIe Ge 4协议分析仪原来功能这么强大！”、“2020-09-19 SerialTek PCIe Ge 4协议分析仪开箱以及安装使用演示”。Apple公司在2013年谣传的iPhone手机内部使用NVMe SSD，以及现在NVMe SSD逐渐扩展应用到汽车电子、航空/航天领域，所以这部分内部本文档不会单独介绍，需要的朋友可以联系我们，我们将提供“PCIe Gen 4 NVMe SSD测试环境搭建和常用工具图解\\_ver3.1”详尽文档供，以及各种实拍实验室视频供参考，涉及PCIe Gen 4协议分析，性能/功能/协议兼容性/IOT测试，热插拔自动化测试，掉电测试，高低温测试，以及如何构建PCIe Gen 4 NVMe SSD测试环境，从Gen 4主板选型开始，涉及PCIe Gen 4 NVMe SSD三类接口（M.2, U.2, AIC）的端口扩展，各种常用的主机卡，转接卡，盘柜，延长线的选择等，以及考虑到测试便利性使用的主板托架和实验室批量测试机架等解决方案。

Ellisy USB 3.0, 3.1协议分析仪是USB IF官方组织指定的CTS供应商，包括link layer以及PD（power delivery）兼容性测试，Ellisys分析仪提供analyzer, exerciser和CTS测试套件。

该分析仪也应用于Wireless USB以及WiMedia UWB相关其它协议。下图是Ellisys公司的USB 3.0/3.1协议分析仪图片以及WiMedia UWB相关逻辑框架图和针对WiMedia的解码图。

Ellisys USB协议分析仪支持如下的USB Class类：

Audio
Video
Hub
Human Interface Device
WUSB Wire Adapter
Mass Storage
Communication
Wireless Mobile Communication
Still Image
Printer
Bluetooth® HCI
Smart Card
Test & Measurement
Media Transfer Protocol

下面是Ellisys USB 3.0、3.1协议分析仪的一些主要功能简述。

Supported Protocols

Power Delivery 2.0 (FSK and Baseband)
USB 1.0 / USB 1.1 (1.5 and 12 Mbps)
USB 2.0 (1.5, 12 Mbps and 480 Mbps)
USB 3.0 (5 Gbps)
USB 3.1 (10 Gbps)

The availability of the protocols depends on the edition

Supported modes

Analyzer: non-intrusive protocol analyzer
Generator: traffic generator for emulating host, device, sink, source
Examiner: compliance tester

The availability of the modes depends on the options

Analyzer Capabilities

Concurrent capture of USB 2.0, USB 3.x,
Power Delivery, Vbus and logic signals
Multiple-unit synchronizatio capability
Automatic terminatio detection
Pre-capture traffic filtering

Generator Capabilities

Emulate USB host or device
Emulate PD sink or source
Precise and reproducible timings

Ability to emulate low-level issues as well as high-level behaviors

USB 1.x / 2.0 Capabilities

Support of Low, Full and High-speed
Automatic speed detection
Precise tracking of line states
Non-intrusive probing
Timing resolution of 16.7 ns

USB 3.x Capabilities

Support of 5 Gbps and 10 Gbps
Automatic speed detection
Automatic termination detection
Non-intrusive signal reshaping
Flexible front-end with adaptive equalization and configurable emphasis and swing
Timing resolution of 400 ps

USB Power Delivery Capabilities

Non-intrusive probing
Support of FSK and Baseband PHY
Support of Type-C CC via custom cable
Measurement of FSK carrier frequency, amplitude and bit rate
Configurable FSK amplitude generator mode

Vbus Capabilities

Measurement of Vbus from 0 to 25V
Measurement of Ibus from -5 to +5A
Generatio of Vbus from 4 to 20V

下面是两种典型应用的测试拓扑，左边是作为协议分析仪，右边是作为USB Host仿真。

下面是协议解码截图。

8.2 自动化测试工具 – 线缆插拔，自动化切换

8.2.1 USB线缆插拔自动化测试

在测试手机，电视或者其它消费电子设备上面的USB端口的时候，经常需要对于连接了USB线缆的链路作插拔测试，如果采用人工插拔，效率低下不说，还容易出错，问题也不容易复现，同时也不可能进行多达上万次这样的测试，这个时候需要使用英国Quarch公司的USB Call Pull线缆插拔模块进行自动化测试，产品图片如下，提供type-c 和标准USB A/B口。

测试的时候该USB Cable Pull模块将串接在USB cable中间，通过在控制电脑端使用Test Monkey图形化软件或者Python脚本实现自动化测试，可以提供如下这些测试功能。

该USB Cable Pull模块可以模拟如下的USB测试功能或者故障：

模拟USB线缆的热插拔
模拟USB线缆热插拔过程中导致的pin bounce接触不好的情况
模拟USB线缆某些针脚断掉
模拟USB线缆某些针脚长通
模拟USB线缆某些针脚上面有信号毛刺
- 物理毛刺的多少？注入一次毛刺，还是一直有毛刺？间隔时间多长？
- 毛刺的高低，疏密，持续的时间长短
模拟USB线缆某个Lane中的某些差分信号有毛刺，或者某个Lane不通
模拟非常快速的USB线缆通/断测试

下图是Windows下面的图形化软件Test Monkey的主控制界面。可以在上面非常方便的实现针对USB Cable的快速插拔自动化测试，也可以注入信号毛刺等。

下图是针对USB线缆的任意针脚可以作通断，或者导入信号毛刺测试，该毛刺设置可以在USB链路层导入bit error或者CRC error模拟USB连接在信号不好情况下对于传输性能、或者功能的影响。

下图是针对USB call插拔过程中针脚接通顺序的设置，同时也可以设置某一组针脚接通的瞬间是否会出现“抖针”这种现象，即模拟插拔瞬间某些针脚接触不稳定的情况。

8.2.2 USB测试自动化切换测试

在各种使用USB接口的产品，例如手机测试过程中，有的时候需要针对不同的USB device作测试，但是由于只有一个USB口，怎么办呢？这个时候会用到USB自动化切换设备（或者称为物理层交换机 – Physical Layer Switch），参见下图，即中间的USB口连接手机端，左右总计8个USB口连接USB外设，这样通过脚本控制可以实现手机在任何时候可以自动切换到某一个外设进行测试。一般在实验室测试情况下必须使用这种设备而不是USB HUB，因为USB HUB会导致收件可以看到所有的外设，对于测试无法实现隔离。但是使用USB切换设备的时候某个时刻手机只是物理上连接到某个USB外设，完全物理隔离，和使用一个USB cable连接是同一个效果。如果8个端口不够也可以二次级联。

下图是Test Monkey的一个主控界面，可以很方便实现USB Host (A口)切换到任意一个USB外设。切换的时候还可以设置一个延迟时间。

如果需要对于切换的链路的信号质量做一些调整，可以在下面的界面进行配置。

英国Quarch公司的所有测试工具全部支持完善的Python脚本开发，以上面USB切换设备为例，参见下面的脚本例程。

（九）Bluetooth蓝牙总线

Ellisy公司的蓝牙协议分析仪是业内最知名的蓝牙问题诊断工具，可以分析下面相关应用。

Bluetooth Classic (2x, BR / EDR2 / EDR3, all 79 channels concurrently)
Bluetooth Low Energy (2x, 125k / 500k / 1M / 2M, all 40 channels concurrently)
Wi-Fi IEEE 802.11a/b/g/n/ac (3x3, 20 / 40 / 80 MHz) [ENT]
WPA IEEE 802.15.4 (all 16 2.4GHz channels concurrently) [ENT]
2.4 GHz Spectrum Energy [PRO]
USB HCI (1 port), UART HCI (2 ports) and SPI HCI (2 ports) [PRO]
Generic UART, SPI, I2C and SWD [PRO]
Logic signals [PRO]
Audio I2S [PRO]
Wireless Coexistence Interface 2 (WCI-2) [PRO]

下面是蓝牙协议分析仪主机的图片，以及连接测试拓扑。

下面是协议分析解码截图。

另外，IEEE 802.15.4提供了针对高层协议规范例如Thread, Zigbee, 6LoWPAN以及RF4CE的底层支持，该Low-Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN) 技术已经被应用于手机，模组，SoC等使用蓝牙或者WIFI的场景中，Ellisys蓝牙协议分析仪可以捕获16个2.4GHz WPAN通道，包含相关的RF视频特征，参见下图截图。

（十）WIFI无线

Ellisys公司的基于硬件加速的WIFI协议分析仪可以实现packet-loss的抓包分析，参见下图的解码分析截图。

（十一）Display Port总线接口

11.1 Display Port协议分析仪

Ellisys公司的Type-C Tracker analyzer在2019年9月宣布支持USB4.0（40G）以及Display Port 2.0测试。

Type-C Tracker analyzer for Type-C, PD, DP, TB, USB4

USB-IF通过USB4将带宽提高一倍

USB4规范是2019年9月初由USB IF论坛（www.usb.org）发布的。USB4使用两通道方法将带宽从以前的USB标准提高了一倍，达到40Gbps。USB4基于Intel的Thunderbolt™规范，该规范是USB* Promoter Group的贡献。USB4将仅使用Type-C连接器。Ellisys公司对于Type-C Tracker支持USB 4的支持将完美支持Type-C连接器上的USB Power Delivery的*alternate mode*协议和sideband控制信令。

“USB Type-C互连标准带来了各种高速通信技术，复杂的供电方法以及各种sideband控制协议的融合，尽管这种灵活性为最终用户带来了特别的便利，但它给应用带来了巨大的挑战，包括产品设计和测试。” ASTC首席技术官Rod Whitby说道，ASTC是USB Power Delivery规范以及Turkey USB-C®和PD应用体系结构和交付方面的全球领导者。“Ellisys的Type-CTracker分析工具通过其多协议捕获功能和同步的electrical**层面的分析功能，为我们的团队提供了更多的选择，由于它将许多工具整合到一个非常紧凑的产品中，它也使得我们宝贵的台式工作空间变得更加整洁。”

11.2 DP测试自动化切换测试

和USB 3.0切换设备设备一样，Display Port也有类似的切换设备，用于在1个upstream和8个downstream之间进行切换，对于测试一些DP host端需要配合各种外设端的功能测试比较有帮助。参见下图的产品图片，以及Test Monkey关机界面上切换控制，以及信号设置的界面。

12. 100Base-T1总线分析仪

100Base-T1是IEEE前几年一个新的规范和标准，主要应用于汽车内部总线。下图是一张汽车系统内部各个主要组件的连接图。Saniffer提供当前汽车电子使用所有总线协议分析工具，包括：

CAN/CAN-FD （Fast Data）
LIN
FlexRay
00Base-T1
TTE – Time Triggered Ethernet
TSN – Time Sensitive Network
USB
eMMC /UFS
SATA
PCIe/NVMe

传统上汽车上面有超过75+以上的ECU是通过传统的CAN/LIN/FlexRay总线互联，参见下图。

下面是各种ECU通常采用哪些总线技术进行通讯。我们可以看到一些需要高速互联的场景采用Ethernet互联。

下面是未来汽车总线互联的架构和应用的相关总线技术。

在2020年9/14-16,上海世博展览中心举行的Automotive Testing Expo上面，我们看到汽车电子总线除了传统的CAN, CAN-FD，LIN, FlexRay技术之外，随着现在新能源车企的壮大，新的技术也越来越多的用到新的车型，目前非常热的一个技术是100Base-T1，使用传统100M以太网（当然也可以使用千兆以太网）传输一些原本ECU之间需要大数据传输的场景（CAN总线默认是1Mbps），有些特殊车型采用TTE时间触发以太网。另外，汽车后备箱数据中心使用的TSN技术是基于千兆以太网，汽车信息娱乐导航系统则从传统的eMMC或者SATA SSD存储转移到UFS和NVMe SSD存储。

本次展会由于受到疫情影响，进入展场需要层层检测绿码，量测体温，本来以为可能比去年人数要下降很多，结果大出意外，发现参会人数超过去年。参看下面的展场图片。

展场上Prodigy公司的100base-T1 Automotive Ethernet analyzer

展场上100base-T1 Automotive Ethernet的产品

展场上100/1000base-T1 Automotive Ethernet的产品

下图是100base-T1协议栈和ISO 7层模型的对应关系。

下面是Prodigy公司的100base-T1协议分析仪产品图片，连接方式以及协议解码截图。

13. UFS 3.0等总线测试相关辅助工具

UFS 3.0等测试过程中经常需要用到如下的一些负责工具或者夹具，Saniffer公司提供相应的产品或者定制服务。

13.1 UFS 3.0, LPDDR4X interposer

如果需要将UFS, LPDDR4X上面的信号引出来接入协议分析仪或者逻辑分析仪进行分析，那么需要购买或者定制相应的interposer，由于将信号引出必须埋阻，所以国内的生产工艺次品率较高，一般需要国外专业的工厂进行加工。

下图是一个典型的UFS 3.0 interposer包括如何连接。

下面以LPDDR4X interposer为例简单看一下定制该interposer有哪些类型。

下面是一些常见的LPDDR4X interposer类型。

13.2 UFS 3.0 socket

下图是UFS socket以及如何连接。

除了类似于上面的带盖板的UFS 3.0 device socket之外，在研发、测试阶段有的时候需要将UFS 3.0 device从socket里面取出来进行firmware升级或者替换试验，这个时候就需要用到一种特别的socket，即(nearly) zero footprint socket。参见下图。

使用上述socket的时候，需要先将原来的UFS device取下，将基板清理植球清理干净，然后安装好该socket，然后将UFS 3.0 device放入该socket即可。取下来的时候只要稍微用指甲翘一下即可取出更换，对于开发/测试非常方便。

13.3 UFS 3.0 HAST测试母板

HAST (Highly Accelerated Stress Test)

HAST是加速老化测试，例如：在较高温度（例如115度）下面进行1000小时测试。下面是简单的关于HAST的简介。

A typical THB test time would be 1000 hours. HAST uses increased test temperatures of 110 to 130 ⁰C which decreases the test time to as low as 96 hours compared to a THB test. ... HAST utilizes a positive pressure inside the test chamber along with temperatures above 100 ⁰C and controlled humidity。

Saniffer可以结合用户的需求定制开发各种HAST测试母板，参见下图。