各类电子的相关总线协议分析和测试工具概述

距离MIPI alliance首次在中国大陆召开全体会员会议已经过去六年了，记得当时是2014年10月8/9日两天在上海世茂皇家艾美酒店（Le Royal Meridien Hotel in Shanghai, China）举行。随着MIPI的很多技术规范和协议在业内的推广，很多总线接口技术现在获得了越来越多的产品应用，这些技术不仅仅用于移动终端领域，例如手机，也应用于消费类电子，汽车电子等领域。

本文就是在这些影响移动终端/消费类电子/车载电子的总线协议分析和测试工具做一个简略的概述，期待对于大家未来开发/测试相关产品提供一定的帮助。

下面是针对各种移动总线接口的协议分析、测试工具的一个汇总导图，方便快速查询。

我们先从手机终端涉及的各种总线说起，先来看一张MIPI官方组织的图片，我们来看一下手机上面涉及哪些总线接口需要进行分析和测试。

 

通过上图我们可以看到手机上面主要涉及到如下总线接口

·SD 3.0

·eMMC 5.1

·UFS 2.0/3.0

·I3C

·SPMI

·RFEE

·QSPI

·USB

·Bluetooth

·WIFI

我们依次来看这些接口在研发测试过程中会用到哪些诊断、分析、测试工具。

（一）SD 3.0接口

SD 3.0是传统手机最常用的接口之一，目前还有很多手机支持通过SD卡扩展存储容量；另外SDIO 3.0是用于外接一个支持SDIO协议的SD卡，这类卡上一般有CPU可以实现SSL加密/解密等功能，抓包分析后我们看到例如HTTP over SDIO相关的流量。

下图是一个Prodigy公司的SD 3.0 analyzer连接分析读卡器的示意图。中间的绿色的小板子是micro-SD interposer，待测的micro-SD卡从左侧插到该interposer的卡槽，然后该interposer右侧插入读卡器，interposer实现将双向流量通过蓝色的线束旁路传输到协议分析仪主机，内部协议分析逻辑进行数据的抓取。当然很多情况下SD协议分析仪是分析手机的SD卡相关的问题。

下面的设备Prodigy公司的多合一协议分析仪，支持SD 3.0/SDIO 3.0/eMMC 5.1等各种总线，通过配置连接SD大卡或者micro-SD小卡interposer实现抓取分析SD协议，通过连接eMMC probe实现针对eMMC总线的协议分析。

 

 

下图是抓取的micro-SD卡的协议解码截图，注意：SD卡上层采用SCSI指令集。

 

（二）eMMC 5.1存储接口

2.1 eMMC 5.1协议分析仪

一些低端手机目前仍然采用eMMC 5.1接口作为内部存储的主要总线，一般容量都在64G以内，如16G, 32G, 64G等。下图是eMMC协议分析仪的连接方式，通过probe将信号拾取出来后传输到协议分析仪主机进行解码分析。

 

下图是eMMC的协议分析解码界面。

下面协议分析仪分析后识别到的卡的相关信息以及Histogram图。

 

2.2 eMMC 5.1测试设备

韩国EFTECH公司的eMMC测试工具提供了eMMC产品验证部门一个方便易用的测试工具，韩国LG Mobile以及SK Hynix等知名公司都采用EFTECH的测试工具进行研发测试。它提供如下测试功能：

 

 

（三）UFS 3.0/3.1存储接口

3.1 UFS 3.0/3.1协议分析仪

从前几年开始很多中高端手机已经使用了UFS 2.0/2.1的接口，目前最新的手机，例如Huawei Mate 40已经在使用Kioxia等公司的UFS 3.0 device。速度也从UFS 2.0/2.1的5.8Gbps升级为UFS 3.0的11.66Gbps (Gear 4b)。目前最新的UFS 4.0 速度将达到23.32Gbps (取整为24Gbps)。

Prodigy公司的UFS 3.0协议分析仪是目前唯一可以长时间使用的，不丢包的协议分析仪，例如Huawei Mate 40在研发、测试中就依赖Prodigy UFS 3.0协议分析仪诊断/分析相关UFS问题。业内其它的UFS分析仪在真实的大流量下丢包异常严重，基本完全无法使用。Prodigy UFS 3.0协议分析仪可以运行几天几夜都没有问题，因为有些问题复现要5个多小时。

所以，UFS 3.0分析仪市场似乎出现了一个非常奇怪的现象，就是能用和不能用的问题。Prodigy是目前市场上唯一不丢包的、可用的UFS 3.0/3.1 analyzer，对于分析数据读/写不一致等需要长时间、抓取大数据量的场景是唯一的选择。

下面是已经购买Prodigy UFS 3.0协议分析仪的部分典型客户。

·Qualcomm        -- 全球第一台购买了Prodigy。

·Micron             -- 上海，美国，欧洲多地

·Samsung Korea  -- 韩国总部在2018年购买Prodigy

·SK Hynix Korea   -- 韩国总部在2019年购买Prodigy   

·KIOXIA             -- 日本，韩国，中国等多地购买Prodigy，

·Panasonic     

·Bosch             

·Huawei/Hisilico   

·Longsys,           

·UNIC               

·... 

 

 

下图是UFS 3.0协议分析仪的解码图片。SCSI, UFS, UniPro各个层面可以联动同步分析，对于底层的PACP提供非常直观的解码分析，同时支持非常丰富的trigger condition设置。

3.2 UFS 3.0/3.1测试工具

韩国LG Mobile和SK Hynix的UFS测试采用EFTECH的测试工具，EFTECH提供的UFS 3.0的测试工具的产品概述和功能如下。

 

 

 

 

 

另外，不论手机使用eMMC 5.1 device还是UFS 2.0/3.0 device，EFTECH还可以结合用户的需求定制开发如下的功能：

1.在android手机里面常驻一个agent，通过EF-STAN软件检测追踪每一个读写命令，包括地址，block size和延迟；参见下面的左图。

2.如果android系统不论因为什么原因无法引导、启动，则可以将其镜像通过EF-parser软件导入Windows进行分析，找到crash点；参见下面的右图。

 

（四）I3C总线接口

I3C作为I2C的升级版本，目前在各个领域获得众多的应用，例如仅在上海，就有众多知名公司，例如Bosch，Intel, AMD，Pixelworks等知名公司开发相关芯片或者在其产品上应用I3C作为基本的总线接口，I3C涵盖了汽车电子，计算，消费类电子各个方面。下面我们看一张图，可以更加清楚地看到，实际上我们离不开的各种sensor也都通过I3C实现信息的互通和传输。

 

在2020年MIPI alliance的I3C分委员会的会议上，有将近300多位与会者就I3C在maser/slave在互通，互作性和兼容性上面进行了热烈讨论。Prodigy公司作为I3C分委员会的有突出贡献的会员，起草了关于I3C兼容性测试的规范，日前，MIPI已决定使用Prodigy公司的analyzer和exerciser以及CTS测试软件进行兼容性认证。

 

 

下面是I3C analyzer和exerciser的解码和编程脚本截图。

下图是针对I3C协议的trigger condition设置。

（五）SPMI总线接口

SPMI总线是System Power Management Interface的缩写，顾名思义就是处理和power相关的管理、配置等。Prodigy通过独立的协议分析仪实现针对该总线流量的抓取和解码。

下面是SPMI总线分析仪图片和协议解码图片。

 

Prodigy针对SPMI是实现了exerciser功能，如下图。

（六）RFFE总线接口

RFFE是RF Front End，表面意思很清晰，即射频前端总线接口，处理RF信号进来之后的一些管理和配置。Prodigy通过独立的协议分析仪实现针对该总线流量的抓取和解码。

下面是RFFE总线分析仪图片和协议解码、exerciser图片。

 

 

 

（七）QSPI总线

该总线顾名思义为Quad SPI，简单认为是SPI的高速版。Prodigy公司的QPSI协议分析仪和SPMI, RFFE等类同，也可以实现协议分析，exerciser仿真发包等功能。

（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-C Tracker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

·100Base-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。

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。

 

下面是一些长见的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。

 

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。

原文标题：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

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责任编辑：haq