儀器：Emulator

在SSD主控芯片設(shè)計(jì)階段，除了RTL Simulation以外，通常還會(huì)進(jìn)行Verification的工作，而Verification中就會(huì)使用到Emulator或者FPGA。

先說(shuō)一下Simulation和Emulation的區(qū)別：

Simulator是做仿真，基于軟件，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)芯片的功能并輸出結(jié)果；

Emulator是做模擬，用硬件實(shí)現(xiàn)，通過(guò)模擬實(shí)現(xiàn)芯片的內(nèi)部設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)功能并輸出結(jié)果；

業(yè)界比較知名的Emulator提供商Cadence，旗下的Emulator產(chǎn)品Palladium系列，如圖所示。

圖1-1 Emulator

按照官方的說(shuō)法，這貨可以做Simulation，Simulation Acceleration和Emulation。

在設(shè)計(jì)SSD主控芯片時(shí)，Emulator和FPGA都可以用于ASIC Verification，那這兩者區(qū)別有哪些? 個(gè)人理解，主要有這么幾點(diǎn)：

1. 價(jià)格：Emulator大概百萬(wàn)刀級(jí)別，F(xiàn)PGA大概是數(shù)千到萬(wàn)刀級(jí)別 ；

2. 能力：Emulator的邏輯可以到23億門(mén)（這是老款Palladium XP，最新款據(jù)Palladium Z1達(dá)到了90億門(mén)），F(xiàn)PGA大概是百萬(wàn)門(mén)級(jí)別。對(duì)應(yīng)到SSD主控里，一塊FPGA可能只能模擬前段（PCIe+NVMe)，后端（閃存 Controller）可能需要另外一塊FPGA， 而Emulator，只要你想塞，整個(gè)ASIC的RTL塞進(jìn)入也是妥妥的；

3. Debug：Emulator可以比較方便的導(dǎo)出ASIC攻城獅所需要的信號(hào)并抓取硬件邏輯波形，而FPGA在連接協(xié)議分析儀，邏輯分析儀方面比較方便；

4. 速度：Emulator雖然好，但是速度比FPGA要慢的多 – 來(lái)個(gè)傳說(shuō)中的例子：如果FPGA上boot一個(gè)OS要幾個(gè)小時(shí)，那Emulator上boot一個(gè)OS可能要幾天

5. 逼格：FPGA是個(gè)公司就能有，Emulator則絕對(duì)是實(shí)力的彰顯—有領(lǐng)導(dǎo)，VIP來(lái)參觀的時(shí)候，給參觀一下，頓時(shí)就跟其他公司拉開(kāi)差距了；

歸根結(jié)底，Emulator和FPGA都是很好的工具，需要正確，合理地使用，才能更好地在芯片研發(fā)階段發(fā)現(xiàn)更多ASIC問(wèn)題。

Emulator（或FPGA）另一個(gè)好處是，固件團(tuán)體可以使用這些工具提前開(kāi)始開(kāi)發(fā)，不用等芯片回來(lái)以后，先經(jīng)歷“不死也要脫層皮”的Bringup階段，然后才開(kāi)始“遇到問(wèn)題不知道硬件原因還是代碼原因的”開(kāi)發(fā)階段。

Emulator – 致力于構(gòu)建SSD主控和諧團(tuán)隊(duì)！

儀器：協(xié)議分析儀（Analyzer）

要測(cè)試SSD，需要很多很多不一樣的設(shè)備，需要花很多很多的銀子。

目前市面上的SSD接口挺多，有什么SATA，SAS，PCIe，U.2, M.2, MSATA, GumStick，其實(shí)走的前端協(xié)議就兩大類： SATA/SAS和PCIe。

一顆SSD主控一般分前、中、后三段，前端就是SATA/SAS和PCIe這些配上AHCI或者NVMe，中段就是FTL，后端就是閃存控制器。

FTL是純軟件實(shí)現(xiàn)，測(cè)這個(gè)基本上不需要什么設(shè)備。

后端跟閃存打交道，主要用邏輯分析儀，另一種巨貴的儀器，這里不展開(kāi)說(shuō)。

這里先聊兩種協(xié)議分析儀，SATA/SAS Analyzer 和 PCIe Analyzer。

Analyzer是個(gè)啥玩意兒？你可以這么理解，以SATA Analyzer為例， SATA Host和SATA SSD之間傳輸命令和數(shù)據(jù)，就像兩個(gè)人在打電話，不在這個(gè)線路上的你，正常情況下是聽(tīng)不到的他們說(shuō)了什么的。

Analyzer就相當(dāng)于在他們兩之間裝了一個(gè)竊聽(tīng)器，這樣你就可以完完整整的知道他們之間的對(duì)話，同時(shí)他們倆并不會(huì)察覺(jué)。

SATA/SAS Analyzer的供應(yīng)商，平時(shí)接觸比較多的有兩家：SerialTek和LeCroy。

圖為SerialTek SATA/SAS Analyzer

圖1-2 SerialTek SATA/SAS協(xié)議分析儀

連在主機(jī)和SSD之間是這么個(gè)樣子，如圖所示。

圖1-3 SATA 協(xié)議分析儀連接示意圖

抓到的Trace是這個(gè)樣子，如圖所示。

圖1-4 SATA Trace示例

PCIe Analyzer的供應(yīng)商，主要有三家：LeCroy，SerialTek和Agilent。

圖為L(zhǎng)eCroy的PCIe Analyzer：

圖1-5 LeCroy PCIe 協(xié)議分析儀

配有各種Interposer卡，如圖所示：

圖1-6 LeCroy PCIe 協(xié)議分析儀 Interposer cards

抓到的Trace是這個(gè)樣子的（這是一個(gè)NVMe讀寫(xiě)的命令，LeCroy可以幫你解碼NVMe，AHCI這種常見(jiàn)的存儲(chǔ)協(xié)議），圖7-14中，軟件將PCIe Trace中的NVMe命令解析了出來(lái)。

圖1-7 PCIe軟件解析NVMe指令

使用PCIe Analyzer可以測(cè)量PCIe的物理層，鏈路層，事物層。跟示波器不同，Analyzer可以基于PCIe協(xié)議將鏈路上所有Lane上發(fā)生的事務(wù)都解析出來(lái)，并且還提供Trigger（觸發(fā)）的功能 。

對(duì)于Analyzer的一大挑戰(zhàn)就是在鏈路電源狀態(tài)切換的過(guò)程能夠快速適應(yīng)，越早能夠?qū)崿F(xiàn)正確的抓包并解析越好。

這點(diǎn)在調(diào)試的時(shí)候尤其重要，看一個(gè)實(shí)際的例子：對(duì)一個(gè)寄存器做CfgWr操作，但是結(jié)果發(fā)現(xiàn)寫(xiě)進(jìn)去的值不對(duì)，而且這個(gè)問(wèn)題只在ASPM enable的時(shí)候才會(huì)發(fā)生。

電源狀態(tài)切換對(duì)于PCIe 發(fā)送端和接收端來(lái)說(shuō)是屬于壓力比較大的操作，因此有時(shí)會(huì)導(dǎo)致鏈路不穩(wěn)定從而發(fā)送錯(cuò)誤的包。這種問(wèn)題調(diào)試需要抓trace，而analyzer必須在鏈路從L0s退出進(jìn)入L0時(shí)發(fā)送的TLP都抓到，否則就無(wú)法查看錯(cuò)誤到底在什么地方。而L0S退出的時(shí)間非常短，Analyzer需要在鏈路從electrical idle（空閑狀態(tài)）退出后非常短的時(shí)間內(nèi)（幾十個(gè)FTS）就能正確抓包并解析。

工具是死的，人是活的，啥時(shí)候抓trace，抓哪個(gè)階段，抓的時(shí)候滿屏的紅色怎么辦，怎么設(shè)Trigger，trace怎么分析？這些就需要攻城獅們自己花時(shí)間琢磨了。

儀器：Jammer

再牛的肖邦，也彈不出SSD廠商的悲傷。

一塊SSD到不同客戶手上，不知道會(huì)接在什么機(jī)器，使用什么樣的OS和主機(jī)驅(qū)動(dòng)，在什么環(huán)境下使用，

結(jié)合巨大的使用數(shù)量，不知道哪天某塊SSD就會(huì)從主機(jī)那邊收到一個(gè)不按套路出牌的FIS或者Primitive （SATA SSD）。

舉個(gè)例子: 主機(jī)發(fā)了一個(gè)讀命令，SSD二話不說(shuō)開(kāi)始干活，辛辛苦苦把數(shù)據(jù)從閃存里讀出來(lái)，仔仔細(xì)細(xì)的進(jìn)行ECC解碼，小心翼翼傳到DDR，進(jìn)行MPECC檢查，再全神貫注的傳到SATA模塊的某個(gè)FIFO，這時(shí)候SSD抹抹頭上的汗，把手擦干凈，寫(xiě)了一張字條，上書(shū)”X_RDY”, 恭恭敬敬的遞給主機(jī)， 然后把數(shù)據(jù)捧在懷里，細(xì)心的用SOF包裝好，殷切的期盼主機(jī)也回復(fù)一張小字條“R_RDY”。主機(jī)十分感動(dòng)的看著SSD，然后回復(fù)了一句“R_ERR”拒絕了他。

林子大了，什么樣的客戶都有，但是客戶們的要求是一樣的——“主機(jī)虐你千百遍，SSD你要待他如初戀” ——術(shù)語(yǔ)叫做Robustness （健壯性）。

為了保證健壯性，ASIC和固件攻城獅們要花大量的精力，腦補(bǔ)各種錯(cuò)誤可能性，在RTL和FW 中加入相應(yīng)的錯(cuò)誤處理（Error Handling）的流程。

這么做有兩個(gè)問(wèn)題：

這些錯(cuò)誤處理的流程，在實(shí)驗(yàn)室里面跑個(gè)一禮拜，可能也撞不到一個(gè)；

再牛的攻城獅，也沒(méi)法提前考慮到各種錯(cuò)誤可能性。

與其讓別人找麻煩，不如自己給自己找麻煩。搞測(cè)試的就是平時(shí)給ASIC和固件找麻煩，以SATA SSD來(lái)說(shuō)，可以用一種工具——Jammer.

圖中小一號(hào)的那個(gè)就是SATA Jammer。

圖為SATA 協(xié)議分析和Jammer

如果說(shuō)Analyzer是一個(gè)竊聽(tīng)器，讓你知道主機(jī)和設(shè)備之間發(fā)生了什么，那么Jammer就是一個(gè)郵遞員，主機(jī)和設(shè)備之間所有的通信都必須經(jīng)過(guò)他的手，然后Jammer可以把信拆開(kāi)，將里面的內(nèi)容修改或者替換，再轉(zhuǎn)發(fā)出去。

結(jié)合之前的例子，我們可以把正常主機(jī)回復(fù)R_RDY改成R_ERR, 從而檢查SSD遇到這種情況處理是否正確。

圖為Jammer管理軟件截圖——向一個(gè)Data FIS中故意注入CRC Error。

通過(guò)在SATA鏈路上創(chuàng)建各種不同的錯(cuò)誤，可以確認(rèn)各種錯(cuò)誤處理的流程是否正確，或者完善，甚至增加新的流程。

Jammer還有別的用處，當(dāng)你想知道某種場(chǎng)景（Scenario）發(fā)生以后主機(jī)或者設(shè)備的反應(yīng)時(shí)，你可以通過(guò)Jammer來(lái)知道答案。比如當(dāng)設(shè)備回復(fù)的SDB里面Error Bit被置上，或者設(shè)備一直不發(fā)SDB時(shí)，主機(jī)是不是會(huì)重發(fā)命令，重發(fā)幾次，重發(fā)多次設(shè)備都沒(méi)反應(yīng)的話Driver會(huì)不會(huì)啟動(dòng)OOB，Application會(huì)不會(huì)報(bào)錯(cuò)?

Jammer -- 你值得擁有。

本文節(jié)選自《深入淺出SSD：固態(tài)存儲(chǔ)核心技術(shù)、原理與實(shí)戰(zhàn)》一書(shū)