通用序列匯流排(USB)3.2的迴環模式(Loopback Mode)是USB 3.2資料連結層(Link Layer)中的一種模式，主要用於USB 3.2主機或設備的接收端位元錯誤率(BER)測試。但在實際測試中，待測物並不是每次都能成功進入迴環模式，因此讓待測物順利進入迴環模式變成USB 3.2接收端測試的關鍵。
本文將以USB 3.2 Gen1的工作模式來說明USB 3.2 Gen1測試中，儀器如何讓待測物進入迴環模式。
資料連結層訓練及LTSSM
首先說明鏈路訓練狀態機(Link Training and Status State Machine, LTSSM)的工作狀態與連接狀態。
鏈路訓練狀態機(LTSSM)主要用於控制鏈路的連結狀態和鏈路的電源管理，包括U0～U3四種工作狀態。
U0狀態表示超高速連結處於允許狀態，資料包正在發送或資料連結處於空閒狀態；U1表示低功耗資料連結狀態，此時沒有資料包發送，超高速資料連結處於非允許狀態以節省功耗；U2也是一種低功耗狀態(可進一步節省功耗，但是如果退出該狀態則需要更長的等待時間)；而U3為資料連結中止，設備呈現掛起的狀態(可進一步節省功耗)。
當主機正常辨識到USB 3.2 Gen1設備，在操作主機進入睡眠或者重啟動作的過程中，即可抓取到U0～U3的不同狀態(圖1)。
圖1 狀態U0~U3(截自LeCroy USB3.2協議分析)
USB 3.2 Revision 1.0規範中，可以看到鏈路訓練狀態機流程圖(圖2)中有四種連接狀態，分別為RX.Detect、Polling、Recovery以及Host Reset，以下簡單介紹這四種連接狀態。
圖2 LTSSM鏈路訓練狀態機流程圖
．Rx.Detect
表示當連結接電後，主機和設備能夠互相辨識到雙方的存在，一旦辨識到，雙方將開始進入初始化訓練程式。
．Polling
表示主機和設備在訓練初始化發送端和接收端進行同步，準備進行資料包的發送。
．Recovery
主要出現在當前連結發現當前系統要從低功耗狀態切換出來，當前沒有工作處於U0狀態，而需要重新進行訓練和配置的時候進行連結恢復。
．Host Reset
表示連結允許下行埠重新設置上行埠。
圖2中還有另外兩個連接狀態Loopback和Compliance Mode，引進用於位元錯誤率測試以及發送端標準測試；其他兩種狀態為SS.Inactive和SS.Disabled，分別為連結出現錯誤而處於不可操作的狀態，以及連結工作在非超高速模式且可能處於USB 2.0模式的狀態。從圖中還可以看出，從連結上電到正常工作需要經歷Rx.Detect、Polling、U0三個階段。其中，Polling過程會對連結上的終端設備進行相關初始化設置，從Rx.Detect到U0的過程需要經歷的步驟如圖3所示。
圖3 Rx.Detect到U0副程式步驟
資料來源：Granite River Labs
在Rx.Detect階段，連結上的主機或設備開始識別遠端是否有終端，如果有終端，則連結上的終端均開始發送特定規格的Polling.LFPS碼(低頻週期突發訊號，週期在20奈秒到100毫秒之間)。LFPS訊號是一個非常關鍵的訊號，透過不同特徵的LFPS訊號，可以實現主機或設備在安裝不同的狀態之間進行切換，不同特徵的LFPS訊號主要表現為時序上的差異，如tBurst和tRepeat參數。不同要求的LFPS訊號參數，如圖4所示。 經過特定時間的Polling.LFPS後，首先進入Polling.RxEQ的埠開始發送設置好的TSEQ碼進行接收端的均衡器設置，接著再藉由TS1/TS2(Training Sequence，訓練碼)進行其他相關參數的設置，最後透過發送Idle碼進行使用，完成整個連結的初始化，進入U0工作狀態。 圖5為LeCroy USB 3.2分析儀對連結初始化過程的分析結果，可從該圖獲得連結初始化過程中詳細的訓練碼序列及時序關係。
圖4 LFPS訊號定義
資料來源：USB3規範
圖5 連接初始化過程
接收機位元錯誤率測試
當需要對連結上的主機或設備進行位元錯誤率測試時，待測物必須進入圖6所示的迴環模式(Loopback Mode)。
圖6 Loopback Training
根據USB 3.2規範，如果需要進入迴環模式，應該有一個Loopback Master和一個Loopback Slave，Loopback Master為請求Loopback的埠，Loopback Slave埠則會傳送從Loopback Master處接收到的符號。Loopback Master須保持進入U0的初始化順序不變，欲達此目的，僅須將訓練碼TS2第五個Symbol的Bit 2設置為迴環模式，如圖7所示。
圖7 Gen1/Gen2 Link Configuration
如何進入迴環模式
進入迴環模式最常見的方法是透過訊號源或數位碼型產生器作為Loopback Master，發送特定碼型序列給Loopback Slave，強制其進入迴環模式，期間Loopback Master應發送必要的SKPs有效8b/10b資料，Loopback Slave應該重傳接收到的10位元符號，或在必要時進行通道訊號極性翻轉(Lane Polarity Inversion)，以及適時插入或去除SKP有序集。圖8為使用安立知(Anritsu)MX183000A的USB Link Training進行Loopback訓練時發送的數位碼型產生器和參數設置。
圖8 LTSSM Setting via Anristu MX183000A
成功進入到迴環模式後，USB Link Training介面應該顯示如圖9，連結狀態處於Loopback.Active，LTSSM狀態機所列印的具體訓練日誌如圖10所示。
圖9 USB Link Training via Anristu MX183000A
圖10 LTSSM訓練日誌
結語
以上介紹了USB 3.2 Gen1工作模式、連結初始化過程、鏈路訓練狀態機工作流程、LFPS訊號定義和Loopback配置。迴環模式是USB認證測試中很重要的一環，也是容易疏忽導致產品無法一次通過測試的原因，因此希望透過本文的說明，能讓產業相關人士更了解Loopback的作動與方法，產品在實際進行接收端測試時可以更順利，規避相關問題。
(本文由Granite River Labs提供)
(針對USB認證測試，如欲瞭解更多，請參考Granite River Labs文章USB4 技術剖析及USB認證測試流程與測試項目)