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Certificación USB 3.0

Certificación USB SuperSpeed: Saber antes de Actuar…

Con la presentación de Intel de USB 3.0 en la plataforma Ivy Bridge en 2012, la adopción largamente esperada de la tecnología SuperSpeed entró en pleno desarrollo. El lanzamiento por parte de Microsoft de Windows 8 con soporte nativo de controladores de host USB 3.0 eliminó los últimos obstáculos al grupo de conectividad de 5Gbps. 2013 ha sido una continua rampa ascendente de aparición en el mercado de productos SuperSpeed, de forma que USB-IF ha anunciado recientemente que más de 850 productos han pasado el programa de certificación USB SuperSpeed. El programa de conformidad de USB-IF ha sido una pidera angular en el desarrollo de esta tecnología ya que ofrece a los diseñadores una seguridad absoluta de que sus productos interoperarán sin problemas con otros sistemas certificados USB.USB-IF ofrece un amplio programa  de certificación que está disponible a sus miembros en grupos de trabajo regulares. En este artículo técnico vamos a explorar importantes procesos necesarios para conseguir la conformidad USB y el “time to market”.

 

Vistazo Técnico USB 3.0

USB aspira a proporcionar una conectividad perfecta entre un ordenador host y equipos periféricos.

Siguiendo con la idea de lanzamiento al mercado de nuevos productos USB a menudo se requieren capacidades especiales de diseño y equipos de test para validar las múltiples capas de la tecnología USB. USB 3.0 SuperSpeed está basado en una arquitectura de comunicaciones multicapa. Los principales componentes de esta arquitectura incluyen la capa física, enlace y protocolo.

A diferencia de otras conexiones serie que simplemente utilizan buses más rápidos para incrementar el rendimiento, USB 3.0 crea una arquitectura de bus dual, utilizando un conjunto separado de señales que soportan la señalización de 5Gbps Superspeed mientras mantienen la herencia de los 480Mbps USB2.0 para salvaguardar la compatibilidad con periféricos USB anteriores. La Capa Física SuperSpeed define la conexión física del bus entre host y device. Consiste en dos pares diferenciales, uno de transmisión y otro de recepción. USB 3.0 comparte características similares a las halladas en otras tecnologías serie de alta velocidad como PCI Express y SATA tales como codificación 8b/10b, mezcla de datos, inversión de polaridad y amplio espectro de reloj.

La Capa de Enlace está definida para establecer y mantener una conexión fiable entre host y device. SuperSpeed USB 3.0 introduce algunos conceptos cruciales, incluyendo: Link Commands (utilizado para asegurar la transferencia de paquete con éxito), Link Flow Control y Management Power (control de la alimentación). Los tiempos, cambios de estado y negociación de comunicación se definen en el Link Training y Status State Machine (LTSSM). El diagrama identifica todos los estados lógicos del link en que un periférico debe entrar cuando se conecta a un sistema host que cumpla USB 3.0.

Finalmente, la Capa de Protocolo de USB 3.0 permanece simalir a su predecesor. Incluye mecanismos de detección de error, como campos de CRC en todos los paquetes. USB 3.0 también añade funciones de gestión de alimentación en la cap de enlace. Los hosts SuperSpeed no necesitan interrogar un periférico antes de iniciar una transición de alimentación. USB 3.0 permite a los end-points notificar asíncronamente al host cuando han completado sus tareas y está preparado para entrar en estado de baja energía.

 

Preparándose para la Certificación

Los desarrolladores USB deberían considerar activamente los tests de pre-cualificación utilizando los mismos instrumentos de los grupos de trabajo y control de USB-IF y de los laboratorios de test independientes.

Seleccionando estos mismos instrumentos reducirán problemas inesperados que pueden ocurrir por diferencias en configuración, integridad de la señala o error del operador. Invertir in la instrumentación de tests puede parecer y ser inicialmente muy caro para comprobar un único producto OEM USB.

Sin embargo, esta misma instrumentación de test USB proporciona un significante valor  a través de un más rápido lanzamiento al mercado, no solo en la pre-cualificación y la cualificación sino también en el desarrollo y menos problemas durante el test de cualificación por parte de USB-IF.

Es bastante imaginable para OEMs conseguir el logo USB a través de los grupos de trabajo de USB-IF o utilizando uno de los muchos laboratorios independientes. Ambas formas permiten reducir el time to market” que necesitan los OEMs USB.

Los grupos de trabajo USB-IF no se realizan con la frecuencia necesaria que necesitan los OEMs por lo que ir a un laboratorio independiente para obtener la certificación USB es la primera opción utilizada aunque tenga un coste mayor. Se urge firmemente a los OEMs a realizar un pre-filtrado de sus equipos antes de entrar en uno de los programas públicos de conformidad USB. La introducción de SuperSpeed USB ha comportado un equipamiento de test adicional impusto por la USB-IF, incluyendo un nuevo receptor de 5Gbps así como un nuevo riguroso test de requerimientos de la Capa de Enlace. Fabricantes de instrumentación tales como Agilent, Teledyne LeCRoy, Tektronix, etc. Ofrecen una amñia selección de soluciones especializadas en test de conformidad USB.

De estos, tan solo Teledyne LeCroy ofrece una solución que cubra completamente los requerimientos de ambas capas Eléctricas y Enlace.

 

Test de Conformidad USB 3.0

USB-IF ha incrementado significativamente los requerimientos para la certificación USB 3.0. USB 3.0 añade SuperSpeed USB mientras mantiene compatibilidad completa con USB 2.0 a través de la arquitectura de bus dual. Todos los equipos están obligados a cumplir la certificación previa USB 2.0 más los nuevos test introducidos por las especificaciones de SuperSpeed USB, expandiendo en conjunto el proceso de certificación. Algunos de los nuevos requerimientos son: Receiver Testing; Link Layer Testing; y un nuevo test de certificación Hub que cubre los requerimientos de Hub Silicon y End Hub devices.

 

Prueba de la Capa Eléctrica

Las especificaciones del Test de Conformidad Eléctrica de USB 3.0 SuperSpeed requieren que los requires dispositivos se prueben según cinco test de Capa Física adicionales a los de conformidad USB 2.0. Estas pruebas incluyen:

•TD.1.1 Low Frequency Periodic Signaling (LFPS) TX test

•TD.1.2 Low Frequency Periodic Signaling (LFPS) RX test

•TD.1.3 Transmitted Eye Test

•TD.1.4 Transmitted SSC Profile Test

•TD.1.5 Receiver Jitter Tolerance Test

La prueba LFPS se realice tanto en el transmisor como en el receptor. Comprueba que el transmisor  LFPS asegura la frecuencia y tiempos dentro de las especificaciones de USB 3.0 mientras que del receptor comprueba que puede reconocer correctamente la señalización LFPS contra oscilaciones de voltaje y variaciones del ciclo de trabajo.

 

Prueba del Transmisor

El test de conformidad del transmisor está orientado a determinar si tanto el diagrama de ojo, el Jitter Aleatorio, Determinístico y Total cumplen las especificaciones de USB 3.0. También comprueba al transmisor contra el perfil de la dispersión del espectro del reloj (SSC)  tal como se detalla en las especificaciones.

La USB-IF requiere que el transmisor se pruebe según el ojo transmitido, la marcación de tiempo LFPS y el perfil SSC transmitido. Por ejemplo TD.1.3 verifica que el transmisor cumple con los requerimientos de la amplitud de ojo, jitter aleatorio y jitter deterministico. Se utiliza un equipo de test de bit-error-rate que conozca el protocolo  para poner el DUT (Dispositivo bajo prueba) en modo conformidad y se le requiere que envíe un patrón de test específico llamado CPO (scrambled logical idle). Aquí se puede utilizar un osciloscopio para medir al amplitud del ojo según la referencia CTLE para comparar la apertura del diagrama de ojo.

 

Test del Receptor

La prueba de tolerancia de jitter del Receptor se centra en medir la capacidad que tiene de recibir e interpretar los datos entrantes a través de múltiples frecuencias. Este test también se basa en un generador de patrones poniendo el DUT en bucle y transmitiendo patrones específicos según la norma con Ritter añadido. El DUT envía de vuelta el patrón recibido al generador y cada diferencia se cuenta como un error.

El Host y Device transmiten datos con símbolos SKP embebidos y mediante la inclusión y eliminación de símbolos SKP adicionales cada lado puede controlar y validar la velocidad de reloj del lado contrario. Esto fuerza el test del receptor porque los símbolos SKP añadidos y suprimidos en el flujo de datos implica que los datos enviados por el generador son siempre diferente de los datos recibidos para la comparación de bit-error-rate. Por tanto el requerimiento de conocer el protocolo para filtrar los símbolos SKP antes de comparar el patrón recibido es crítico. EL PeRT3 (Protocol Enables Reciver Tester) de Teledyne LeCroy está diseñado específicamente para cubrir este requisito. Estos tests incrementan significativamente la complejidad asociada al cumplimiento de la capa eléctrica de USB 3.0. Es altamente recomendable que los desarrolladores verifiquen sus diseños respecto a estor requerimientos antes de intentar un test de conformidad en uno de las sesiones de la USB-IF o en un laboratorio independiente.

 

Test de la Capa de Enlace

El crítico rol de la capa de enlace en el establecimiento y mantenimiento de la integridad de la conexión entre host y device tiene unos amplios requerimientos de test por parte de la capa de enlace SuperSpeed. Más de 130 normas diferentes de la capa de enlace se han de probar con 40 únicos tests. La plataforma M3 Voyager de Teledyne LeCroy es una de las aprobadas como Sistema de Verificación de la capa de LINK- LVS (Link Verification Systems). El Voyager M3 es la única solución basada en un analizador / generador integrado donde todos los tests están cargados como scripts y los usuarios pueden ver y modificar el código fuente para debugging o para crear sus propios tests. A continuación hay dos ejemplos de test de Capa de Enlace.

Conformidad Capa de Enlace TD7.5 – Header Packet Framing Robustness: Verifica que el device bajo prueba (DUT) no rechazará un paquete que tenga un solo símbolo de error en la trama HPSTART. Durante esta prueba el generador de tráfico actuando como host o device se conecta al DUT. La secuencia de inicialización de enlace se realiza y el genrador de tráfico transmite el paquete requerido de  Link Management con errores en el primer símbolo de la secuencia HPSTART. Pasa el test si la inicialización de enlace se completa satisfactoriamente. El enlace se reinicializa y se repite el test con errores insertados en el segundo, tercero y cuarto símbolos de la secuencia HPSTART respectivamente. Para pasar el DUT debe reconocer el paquete y estar en U= como mínimo por 50ms.

Análogamente, TD.7.7- RX Header Packet Retransmission Test, valida que el UT rechace paquetes con un único caracter inválido en la parte del payload de la cabecera del paquete. En esta situación la especificación requiere que el DUT rechace el paquete respondiendo con un comando de enlace LBAD. El DUT debe permanecer en U0 mientras el generador de tráfico reenvía un LMP válido que debe ser reconocido por el DUT. Esta prueba se expandió a 16 diferentes iteraciones después de que se descubriera que algunos DUT se comportaba de diferentes formas según el símbolo que se había insertado en la cabecera. La imagen a continuación muestra a una condición normal de fallo en que el DUT entra en recuperación después de que un símbolo EPF (End of packet) aparezca en medio de la cabecera del payload.

 

Resumen

USB tiene una muy bien ganada reputación como la forma más fácil y fiable de interconexión. El programa de conformidad de la USB-IF ha sido la piedra angular para que los usuarios tengan esta experiencia. Diseñar para asegurar una interoperabilidad sin fallos de dispositivos participando en el programa de certificación con logo SuperSpeed es una parte esencial para lanzar con éxito tecnología USB al mercado.

El programa de certificación USB 3.0 representa un esfuerzo substancial de pruebas desde la perspectiva de diseño de un  OEM. Los ejemplos reflejados anteriormente reflejan solo alguna de las complejidades con que los OEMs se enfrentan cuando empiezan una certificación USB 3.0.

“Saber antes de Actuar” resalta la importancia de un filtrado meticuloso antes de ir a un grupo de trabajo de la USB-IF para certificación. 



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