USB 3.0 (Super USB) 기술및시험인증동향 김동호 TTA 시험인증연구소방송통신융합실실장 1. 머리말 에출시되었으며, 매년 30 억개이상의제품들이 USB 인터페이스를장착해출시되고있다. USB 3.0 의경 USB(Universal Serial Bus) 는개인용컴퓨터주변장치연결을위한인터페이스로개발되었으나최근에는가전, 휴대폰, 셋톱박스, 자동차등산업전반에사용되는범용직렬인터페이스로그역할이확산되고있다. 특히스마트폰, MP3 플레이어등개인휴대기기들의보급확산에따라데이터전송과충전을위한인터페이스로도부각을받고있다. USB-IF(USB Implementers Forum) 에서는사용자의고속데이터전송욕구를충족시키고자 USB 3.0 에대한표준화를완성했으며이를적용한제품들이시장에속속출시되고 우 2009 년하반기부터현재까지약 100 여종의제품들이인증을획득해시장에출시되고있으며 2013 년에는약 10억개의제품들이 USB 3.0 포트를지원할것으로예측하고있다. [ 그림 1] 을통해볼수있듯이 USB 3.0 의출시가기존 USB 2.0 을완전히대체하는것은아니며 USB 2.0 역시 USB 3.0 과더불어지속적으로사용될것이다. 예를들어 USB 2.0 low-speed 는마우스와키보드연결에사용되며 USB 2.0 full-speed 는오디오나마이커연결에사용되고 USB 2.0 high-speed 는비디오연결및저속데이터전송에계속사용될전망이다. 있다. 본고에서는 USB 3.0(Super USB) 에대한기술표준및시험인증동향을소개한다. 2. 개요 USB 에대한기술및시험표준제정과시험인증프로그램을운영하고있는 USB-IF 는 2008 년 11월에 USB 3.0 에대한스펙을발표했다. In-Stat 의 2009 년보고서에따르면지금까지 100 억개이상의 USB 제품이시장 Units in Thousands 4,500,000 4,000,000 3,500,000 3,000,000 2,500,000 2,000,000 1,500,000 1,000,000 500,000 0 2007 2008 2009 2010 [ 그림 1] USB 시장전망 2011 Total w/usb Super Total w/usb High Total w/usb Low or Full 2012 2013 출처 : In-Stat, 2009 년 6 월 100
시험인증기술동향 다만 USB 2.0 full-speed 기기에대한수요는 USB 2.0 high-speed 와 USB 3.0 기기들의등장으로인해상당부분감소될것으로예상된다. 3. USB 3.0 특징 VBUS D+ D- SSTX+ SSTX- SSRX+ SSRX- VBUS D+ D- SSTX+ SSTX- SSRX+ SSRX- USB 3.0 의대표적인특징으로는 5Gbps 의빠른데이 터전송속도, USB 2.0 과의역방향호환성, USB 2.0 과 동일한디바이스모델사용, 뛰어난전원관리및확장 성등을들수있다. [ 그림 2] 에는 USB 3.0 에대한버스구조를나타내 고있으며기존 USB 2.0 버스와 USB 3.0 을지원하는 Super 버스의이중병렬구조를사용한다. USB 2.0 에서와마찬가지로 USB 3.0 도호스트, 디바이스및 허브로구성된다. [ 그림 3] 에는 USB 3.0 데이터라인구 조를나타내고있다. 그림에서알수있듯이 USB 3.0 Super Super Extended Connector(s) Super Function High- Super Non-Super Full- USB 2.0 Non- Super Function Low- USB 3.0 *Note: Simultaneous operation of Super and non-super modes is not allowed for peripheral devices. [ 그림 2] USB 3.0 이중버스구조 USB 3.0 Host Extended Connector(s) Non-Super (USB 2.0) Composite USB 3.0 Peripheral Device [ 그림 3] USB 3.0 데이터라인구조 은 dual simplex 전송방식을이용해데이터를전송한다. 동일한데이터라인을이용해반이중 (half duplex) 방식으로패킷을전송하던 USB2.0 과다르게 USB 3.0 은별도의데이터송수신전용라인을이용해호스트와디바이스사이에데이터를동시에전송할수있다. 3.1 전송속도 USB 3.0 는기존 USB 2.0 의 high-speed(480 Mbps) 비해 10배이상빨라진속도로데이터를전송한다. USB 3.0 을이용할경우 16GB 의데이터를전송하는데는약 54초가걸리며같은양의데이터를 USB 2.0 을이용한다면약 9분이소요된다. 일반적으로사용자들이지루함을느끼지않고데이터복사를지켜볼수있는시간이약 90초인것을감안하면 USB 3.0 은사용자의요구사항을충분히만족시킬수있다. < 표 1> 에는전송할데이터양에따른 USB 2.0 과 USB 3.0 의전송소요시간을비교하여나타내고있다. 3.2 역방향호환성 USB 3.0 은 USB 2.0 디바이스들에역방향호환성을제공한다. [ 그림 4] 에는 USB 3.0 Std-A 커넥터를나타내고있으며, USB 2.0 Std-A 커넥터와동일한폼팩터 (form factor) 를이용하여 USB 2.0 을지원하기위한기존 4개의핀에 USB 3.0 을지원하기위한추가적인 5개핀이별도로존재한다. 따라서 USB 2.0 디바이스들은추가적인장치없이 USB 3.0 커넥터의 USB 2.0 핀들에 TTA Journal No.130 101
< 표 1> USB 2.0 과 USB 3.0 전송속도비교 Song/Pic(4MB) 256 Flash(256MB) USB Flash(1GB) SD-Movie(6GB) USB Flash(16GB) HD-Movie(25GB) USB 2.0 FS 5.3sec 5.7min 22min 2.2hr 5.9hr 9.3hr USB 2.0 0.1sec 8.5sec 33sec 3.3min 8.9min 13.9min USB 3.0 0.001sec 0.8sec 3.3sec 20sec 53.3sec 70sec Port Power Removed Hot Reset Warm Reset 연결해사용할수있으며 USB 2.0 디바이스클래스드 라이버들도변경없이그대로사용될수있다. USB 3.0 장치는 USB 2.0 장치연결핀들과별도로 USB 3.0 데이 터전송전용핀들에연결된다. 3.3 디바이스모델 [ 그림 4] USB 3.0 Std-A 커넥터 Attached USB3_RX Port Power Present Far-end Rx Termination NOT Detected OR Link Training Unsuccessful Powered USB 2.0 Device States Link Training Successful USB 2.0 Reset Port Suspend Default Port Resumed Address Assigned Port Suspend Address Port Resumed Device Device Deconfigured Configured Port Suspend Configured Port Resumed USB3_TX D- D+VBUS Suspended, Default Suspended, Adrdress Suspended Configured Far-end Rx Termination Removed U-080 [ 그림 5] USB 3.0 디바이스상태천이다이어그램 USB 3.0 은 USB 2.0 에서사용하던파이프모델, USB 프레임워크및전송타입을그대로사용하면서 USB 3.0 을위한추가적인부분을정의하고있다. 즉동일한스트림및메시지파이프사용과동일한구조의디바이스상태 (states) 와디스크립터구조및인터럽트, 벌크, 컨트롤, Isochronous 전송모드를제공한다. [ 그림 5] 에는 USB 3.0 에대한디바이스상태천이도를나타내고있다. 그림을통해확인할수있듯이 USB 2.0 의디바이스상태천이도와동일한구조를사용한다. 3.4 전력효율 USB 3.0 은기존 USB 2.0 에비해전력을훨씬더효과적으로사용할수있는다양한방안들을제시하고있다. USB 3.0 은디바이스의동작여부를판단하기위해 USB 2.0 에서사용하는폴링 (polling) 동작을수행하지않는다. 그리고 USB 3.0 허브는 USB 2.0 허브에서수행되던브로드캐스팅을수행하지않고패킷을특정목적지로만전달하는라우팅기능을가지고있다. 특히전원관리가포트레벨과디바이스레벨에서주로이루어지던 USB 2.0 과는달리 USB 3.0 은포트와디바이스레벨은물론링크레벨과펑션 (function) 레벨까지추가된것이특징이다. USB 3.0 은전원관리를위해 4 가지의링크상태를정의하고있다. 3.5 기타 USB 3.0 은포트에서제공하는전력을 900mA 로증가시킴으로써별도의전원없이많은전원을필요로하는장치를수용함과동시에 USB 를이용한배터리충전디바이스의충전시간단축에도도움을준다. 102
시험인증기술동향 4. USB 3.0 계층구조 [ 그림 6] 에는 USB 3.0 의계층구조및계층별전원관리기능을나타내고있다. 4.1 물리계층 USB 3.0 은 10-12 이하의에러율을보장하면서 3 미터전송거리에 5Gbps 전송속도를제공한다. 8b/10b 코딩방식을사용해전송된데이터로부터클록을복원하며심볼동기를위해 K28.5(comma) 라는특별한심볼을사용한다. 그리고링크지터 (jitter) 버짓을개선하기위해데이터를스크램블링하여전송하며이를통해약 20ps 의버짓을개선시킬수있다. 또한 EMI 를요구조건을충족시키기위해타고속직렬통신에서와마찬가지로 SSC(Spread Spectrum Clocking) 를반드시사용해야한다. SSC 는 EMI 개선효과는탁월하나클록데이터복구회로에는악영향을미칠수있다. 특히 5Gbps 로동작하는 USB 3.0 채널의사용가능한대역을확장시키기위해송수신측에등화기 (equalizer) 를반드시사용해야한다. 4.2 링크계층 USB 3.0 에서는링크계층의역할이한층증대되었으며링크계층의명령어는에러복구및재전송등의신뢰성있는패킷전송기법의도움으로 10-20 이하의에러율을제공받는다. 또한링크계층에서는 4가지의전원상태관리를통해효과적으로전원관리를수행하며각포트가링크전원상태를변화시킬수있는특징을가진다. 대표적인링크계층동작으로는링크흐름제어와링크전원상태를변경을들수있다. 4.3 프로토콜계층 USB 3.0 의프로토콜계층은기존 USB 2.0 S/W 스택을그대로유지하면서 bulk, control, interrupt, isochronous 전송타입을그대로사용한다. 다만하나의파이프를통해다수의명령어를동시에전송하거나 out-of-order completion 기능이벌크전송에추가된것이특징이다. 그리고호스트와특정디바이스로만패킷을전달하기위한주소체계를가진패킷구조의제공과비동기통지기능을추가해전원관리기능 Chip-to-chip Port-to-Port End-to-End Host Device Device Driver/Application USB System Software Notifications Transaction Transactions Data Link Management Pkt Link Controls/Mgmt Delims Link Cmds 8b/10b encode/ decode Spread Clock CDR Scramble/ descramble LEPS Elasticity Buffer/Skips Pipe Bundle(per Function Interface) 8b/10b encode/ decode Default Control Pipe Link Control/Mgmt Pkt Delims Link Cmds Spread Clock CDR Scramble/ descramble LEPS Elasticity Buffer/Skips Notifications Transaction Transactions Data Link Management 8b/10b encode/ decode Spread Clock CDR Function Device Link Control/Mgmt Pkt Delims Link Cmds Scramble/ descramble LEPS Elasticity Buffer/Skips USB Function Power Management USB Device Power Management (Suspend) Localized Link Power Management Device or Host PROTOCOL LINK PHYSICAL U-089 [ 그림 6] USB 3.0 통신계층구조 TTA Journal No.130 103
을강화했다. 또한동시에 In/Outs 기능을제공함으로 써대역의이용효율을개선시켰다. 4.4 허브 USB 3.0 허브는포트확장및전송거리확장등을위해주로사용되던 USB 2.0 허브의기능제공뿐만아니라 Super USB 전원관리의중추적인역할을담당하고있다. 먼저다운스트림 (downstream) 링크상태를반영하여자신의업스트림 (upstream) 포트의링크상태를조정하고특정포트로패킷을라우팅시킨다. 또한비활성링크로의패킷전송요구에대해지연시킬수있으며다운스트림포트의비활성타이머값들을프로그래밍하여조정할수있다. 또한활성상태에있는다운스트림포트로만멀티캐스트타임스탬프 (timestamp) 패킷을전달하며지연된패킷의타임스탬프값을조정할수도있다. [ 그림 7] USB 3.0 인증로고 개에이르며웹사이트 (www.usb.org) 를통해검색할수있다. 인증시험을통과해인증을획득한제품은 [ 그림 7] 에있는 Super USB 로고를사용할수있다. < 표 2> 에는 USB 3.0 시험대상장비가 USB 3.0 인증을통과하기위해반드시받아야하는시험항목들을나타내고있다. 표를통해알수있듯이 USB 3.0 장비는최소한 USB 2.0 의세가지모드중에서하나이상은반드시지원해야하며지원하는 USB 2.0 에대한인증시험항목도반드시통과해야한다. 4.5 LFPS LFPS(Low Frequency Periodic Signaling) 는별도의제어라인을이용하지않고사이드밴드 (side band) 통신을사용하며저전력링크상태에있는링크양단포트를리셋하거나웜레스트 (Worm Rest) 혹은링크초기설정 (link training) 등에광범위하게사용된다. 5. USB 3.0 시험인증동향 USB 3.0 에대한인증시험은 2009 년에 Intel PIL 에서시작해 2010 년 4월부터는 USB-IF 주관인증행사를통해진행되고있다. USB-IF 는인증시험절차및방법등이인증행사를통해검증되면 USB2.0 시험소지정프로그램과동일하게전세계에 USB 3.0 ITL(independent test lab) 을지정해인증시험서비스를제공할계획을가지고있다. 현재까지 USB 3.0 인증을획득한제품은약 100 여 5.1 USB 3.0 전기적시험 USB 3.0 전기적시험중에서아이다이어그램을이용한신호품질측정에서는수신측기준등화기 (CTLE: Continuous Time Linear Equalizer) 사용을정의하고있다. 또한측정포인터 (test point) 를커넥터단이아닌실리콘에서정의하고있으며컴플라이언스채널 ( 컴플라이언스보드및컴플라이언스케이블 ) 개념을사용한다. 또한수신 PER(Packet Error Rate or jitter tolerance) 시험을위해서는시험대상장비가루프백 (loop back) 모드를반드시지원해야한다. 5.2 상호운용성및역방향호환성시험 [ 그림 8] 에는 USB 3.0 시험대상장비가디바이스인경우에대한 USB 3.0 장비간상호운용성및 USB 2.0 과의역방향호환성시험구성도를나타내고있다. 본시험에서는 USB 3.0 5단허브트리, USB 2.0 high-speed 104
시험인증기술동향 < 표 2> USB 3.0 시험대상장비별인증시험항목 USB 3.0 xhci/super Testing xhci Host USB 3.0 Devices Silicon/ IP/End Product USBCV Chap 9 Tests USBCV Device Specific Tests xhci Host Tests 3.0 Electrical 3.0 Introp 3.0 Backward Compatibility Link Tests xhci ET Current Test Measurement Silicon x n/a Full test suite x x x x x? End Product x n/a Subset x x x x x? Device x n/a n/a x x x x x x x Tests n/a On both upstream and downstream ports x x x x x MSD Device x MSD Tests n/a x x x x x x USB 2.0 LS/FS/ Testing USBCV Chap9 USBCV Device Specific Tests 2.0 Gold Tree Introp 2.0 Electrical xhci Host USB 3.0 Devices Silicon/IP/End Product Silicon All speeds All n/a x End Product All speeds All n/a x Device Run for all 2.0 supported speeds n/a x x Run for all 2.0 supportedspeeds Tests x x MSD Device Run for all 2.0 supported speeds MSD Tests x x x: required testing items, n/a: not applicable,?: not defined SS (3m) xhci SS (3m) SS (3m) SS (3m) SS (3m) DUT SS1 2-TTs SS2 SS High Power Drive 3-TTs SS3 SS4 5 SS5 Printer SS Low Power Drive SS Video Camera FS3-1 FS4-1 FS3-2 FS4-2 Drive Headeset /FS /FS Video Camera Low Power Drive Mouse [ 그림 8] USB 3.0 상호운용성및역방향호환성시험구성도 트리, USB 2.0 full-speed 트리및 USB 3.0 과 USB 2.0 기준장비들이사용된다. 이상적으로는시험대상장비가시험구성도의모든포트에대해서정상동작해야한다. 대표적인시험항목으로는디바이스인식및정상동작, 탈 부착, 토폴로지변화, 웜부트 (worm boot), 콜드부트 (cold boot), 대기모드, 최대절전모드, 하이브리드 (hybrid) 슬립모드등을들수있다. 각시험항목에대해시험구성도의기준장치들 ( 헤드셋, 마우스, 카메라, 드라이브, 허브등 ) 의동작이시험대상장치에의해멈추는현상이발생되지않아야한다. TTA Journal No.130 105
인터페이스의대표주자로자리매김할것으로예상한 5.3 기타 USB 3.0 시험에서도 USB 2.0 에서와마찬가지로 USB 3.0 CV(Command Verifier), 전류측정, 클래스시험항목들이존재한다. 다만링크계층시험항목은여전히표준화가진행중에있다. 6. 맺음말 다. TTA 는 USB 2.0 국제공인시험소로서국내 USB 3.0 산업활성화기여와인증시험수요를충족시키기위해 USB-IF 의 USB 3.0 인증행사를지속적으로참가해최신시험기술및인증동향을국내업체에전파하고 USB 3.0 국제공인시험소지정일정에맞춰시험환경을구축할예정이다. [ 참고문헌 ] 본고에서는최근시장에본격적으로출시되고있는 USB 3.0 에대한기본기술요소소개와시험인증동향 [1] www.usb.org [2] http://www.usb.org/developers/whitepapers/ 을간략히살펴보았다. USB 3.0 은이동형하드디스크, 노트북등에탑재되는것을시작으로점차고속직렬 정보통신용어해설 미포머 Meformer [ 관리운용 ] 나를뜻하는미 (me) 와정보제공자를뜻하는인포머 (informer) 의합성어로나를알리는데에만열중하는사람. 블로그나미니홈피, 트위터등의소셜네트워킹사이트에자신의사생활과즉흥적인감정등만을올리는네티즌들을말한다. 반대로다른이들에게도유용한정보를알리고공유하는사람들은인포머라고부른다. 106