SuperSpeed USB-Zertifizierung: Wissen, bevor Sie handeln…
Mit der Einführung von USB 3.0 durch Intel auf der Ivy-Bridge-Plattform im Jahr 2012 kam die lang erwartete Einführung der SuperSpeed-Technologie auf Hochtouren. Microsofts Veröffentlichung von Windows 8 mit nativer Unterstützung für USB 3.0-Hostcontroller hat die letzten verbleibenden Hürden für den 5-Gbit/s-Konnektivitätspool beseitigt. 2013 war ein kontinuierlicher Aufwärtstrend auf dem Markt für SuperSpeed-Produkte, daher gab USB-IF kürzlich bekannt, dass mehr als 850 Produkte das USB-SuperSpeed-Zertifizierungsprogramm bestanden haben. Das USB-IF Conformance Program war ein Eckpfeiler in der Entwicklung dieser Technologie und gibt Designern die absolute Gewissheit, dass ihre Produkte nahtlos mit anderen USB-zertifizierten Systemen zusammenarbeiten.USB-IF bietet ein umfassendes Zertifizierungsprogramm, das seinen Mitgliedern regelmäßig zur Verfügung steht Arbeitsgruppen. In diesem technischen Artikel werden wir wichtige Prozesse untersuchen, die erforderlich sind, um die USB-Konformität und Markteinführungszeit zu erreichen.
Technischer Überblick über USB 3.0
USB strebt danach, eine nahtlose Konnektivität zwischen einem Host-Computer und Peripheriegeräten bereitzustellen.
Im Einklang mit der Idee, neue USB-Produkte auf den Markt zu bringen, sind häufig spezielle Designfähigkeiten und Testgeräte erforderlich, um die mehreren Schichten der USB-Technologie zu validieren. USB 3.0 SuperSpeed basiert auf einer mehrschichtigen Kommunikationsarchitektur. Zu den Hauptkomponenten dieser Architektur gehören die physische Schicht, die Verbindungsschicht und die Protokollschicht.
Im Gegensatz zu anderen seriellen Verbindungen, die einfach schnellere Busse verwenden, um die Leistung zu steigern, erstellt USB 3.0 eine Dual-Bus-Architektur mit einem separaten Satz von Signalen, die 5-Gbit/s-Superspeed-Signalisierung unterstützen, während das Erbe von 480 Mbit/s USB 2.0 beibehalten wird, um die Kompatibilität mit früheren USB-Peripheriegeräten zu gewährleisten. Der SuperSpeed Physical Layer definiert die physikalische Busverbindung zwischen Host und Gerät. Es besteht aus zwei differentiellen Paaren, eines zum Senden und das andere zum Empfangen. USB 3.0 hat ähnliche Funktionen wie andere serielle Hochgeschwindigkeitstechnologien wie PCI Express und SATA, wie 8b/10b-Codierung, Datenverschlüsselung, Polaritätsumkehr und ein breites Taktspektrum.
Die Verbindungsschicht ist so definiert, dass sie eine zuverlässige Verbindung zwischen Host und Gerät herstellt und aufrechterhält. SuperSpeed USB 3.0 führt einige entscheidende Konzepte ein, darunter: Link Commands (zur Gewährleistung einer erfolgreichen Paketübertragung), Link Flow Control und Management Power. Die Zeiten, Zustandsänderungen und Kommunikationsaushandlungen werden in der Link Training and Status State Machine (LTSSM) definiert. Das Diagramm identifiziert alle logischen Verbindungszustände, die ein Peripheriegerät einnehmen muss, wenn es mit einem USB 3.0-kompatiblen Hostsystem verbunden ist.
Schließlich bleibt die USB 3.0-Protokollschicht ähnlich wie beim Vorgänger. Es enthält Fehlererkennungsmechanismen wie CRC-Felder in allen Paketen. USB 3.0 fügt der Verbindungskappe auch Energieverwaltungsfunktionen hinzu. SuperSpeed-Hosts müssen kein Peripheriegerät abfragen, bevor sie einen Stromwechsel einleiten. USB 3.0 ermöglicht es Endpunkten, den Host asynchron zu benachrichtigen, wenn sie ihre Aufgaben abgeschlossen haben und bereit sind, in einen Energiesparzustand überzugehen.
Vorbereitung auf die Zertifizierung
USB-Entwickler sollten aktiv Vorqualifizierungstests in Betracht ziehen, die dieselben Tools verwenden wie die Arbeits- und Kontrollgruppen und unabhängigen Testlabors von USB-IF.
Die Auswahl derselben Instrumente reduziert unerwartete Probleme, die aufgrund von Unterschieden in der Konfiguration, Signalintegrität oder Bedienerfehlern auftreten können. Die Investition in Testinstrumente mag zunächst erscheinen und zu teuer sein, um ein einzelnes OEM-USB-Produkt zu testen.
Dieselbe USB-Testinstrumentierung bietet jedoch einen erheblichen Wert durch eine schnellere Markteinführung, nicht nur bei der Vorqualifizierung und Qualifizierung, sondern auch in der Entwicklung, und weniger Probleme während der USB-Qualifizierungstests.-IF.
Es ist durchaus denkbar, dass OEMs das USB-Logo über die USB-IF-Arbeitsgruppen oder über eines der vielen unabhängigen Labore erhalten. Beide Formen ermöglichen es, die Markteinführungszeit zu verkürzen, die USB-OEMs benötigen.
USB-IF-Arbeitsgruppen werden nicht so oft wie von OEMs benötigt durchgeführt, daher ist der Gang zu einem unabhängigen Labor für die USB-Zertifizierung die erste Option, die verwendet wird, auch wenn dies mehr kostet. OEMs wird dringend empfohlen, ihre Geräte vorab zu prüfen, bevor sie an einem der öffentlichen USB-Compliance-Programme teilnehmen. Die Einführung von SuperSpeed USB hat zusätzliche Testgeräte mit sich gebracht, die vom USB-IF vorgeschrieben sind, darunter ein neuer 5-Gbit / s-Empfänger sowie ein neuer strenger Test der Link-Layer-Anforderungen. Gerätehersteller wie Agilent, Teledyne LeCRoy, Tektronix usw. Sie bieten eine große Auswahl an Lösungen, die auf USB-Konformitätstests spezialisiert sind.
Von diesen bietet nur Teledyne LeCroy eine Lösung, die die Anforderungen sowohl der elektrischen als auch der Verbindungsschicht vollständig abdeckt.
USB 3.0-Konformitätstest
USB-IF hat die Anforderungen für die USB 3.0-Zertifizierung deutlich erhöht. USB 3.0 fügt SuperSpeed USB hinzu und behält gleichzeitig die volle Kompatibilität mit USB 2.0 durch die Dual-Bus-Architektur bei. Alle Geräte müssen die USB 2.0-Vorzertifizierung plus neue Tests erfüllen, die durch die SuperSpeed USB-Spezifikationen eingeführt wurden, wodurch der Zertifizierungsprozess weiter ausgebaut wird. Einige der neuen Anforderungen sind: Receiver Testing; Testen der Verbindungsschicht; und ein neuer Hub-Zertifizierungstest, der die Anforderungen von Hub Silicon- und End-Hub-Geräten abdeckt.
Elektrobeschichtungstest
Die SuperSpeed USB 3.0 Electrical Compliance Test-Spezifikationen erfordern, dass Geräte zusätzlich zur USB 2.0-Konformität mit fünf Physical-Layer-Tests getestet werden. Diese Tests umfassen:
Der LFPS-Test wird sowohl am Sender als auch am Empfänger durchgeführt. Es prüft, ob der LFPS-Sender die Frequenz und das Timing innerhalb der USB 3.0-Spezifikationen gewährleistet, während der Empfänger prüft, ob er die LFPS-Signalisierung korrekt gegen Spannungsschwankungen und Schwankungen des Arbeitszyklus erkennen kann.
Sendertest
Der Konformitätstest des Senders zielt darauf ab, festzustellen, ob das Augendiagramm, der zufällige, der deterministische und der gesamte Jitter die USB 3.0-Spezifikationen erfüllen. Es überprüft auch den Sender anhand des Spread Spectrum Clock (SSC)-Profils, wie in den Spezifikationen beschrieben.
USB-IF erfordert, dass der Sender basierend auf dem übertragenen Auge, dem LFPS-Zeitstempel und dem übertragenen SSC-Profil getestet wird. Beispielsweise überprüft TD.1.3, ob der Sender die Anforderungen für Augenweite, zufälligen Jitter und deterministischen Jitter erfüllt. Ein Bitfehlerratentester, der das Protokoll kennt, wird verwendet, um das DUT (Device Under Test) in den Konformitätsmodus zu versetzen, und muss ein bestimmtes Testmuster namens CPO (verwürfelter logischer Leerlauf) senden. Hier kann ein Oszilloskop verwendet werden, um die Amplitude des Auges gemäß der CTLE-Referenz zu messen, um die Apertur des Augendiagramms zu vergleichen.
Empfängertest
Der Jitter-Toleranztest des Empfängers konzentriert sich auf die Messung der Fähigkeit des Empfängers, eingehende Daten über mehrere Frequenzen zu empfangen und zu interpretieren. Dieser Test basiert ebenfalls auf einem Mustergenerator, der das DUT durchschleift und spezifische Muster gemäß dem Standard mit hinzugefügtem Ritter sendet. Das DUT sendet das empfangene Muster zurück an den Generator und jede Abweichung wird als Fehler gewertet.
Der Host und das Gerät übertragen Daten mit eingebetteten SKP-Symbolen, und durch Einschließen und Entfernen zusätzlicher SKP-Symbole kann jede Seite die Taktgeschwindigkeit der Gegenseite steuern und validieren. Dies erzwingt den Test des Empfängers, da die im Datenstrom hinzugefügten und entfernten SKP-Symbole implizieren, dass die vom Generator gesendeten Daten immer verschieden von den für den Bitfehlerratenvergleich empfangenen Daten sind. Daher ist die Anforderung, das Protokoll zum Filtern der SKP-Symbole zu kennen, bevor das empfangene Muster verglichen wird, kritisch. Der PeRT3 (Protocol Enables Receiver Tester) von Teledyne LeCroy wurde speziell entwickelt, um diese Anforderung zu erfüllen. Diese Tests erhöhen die Komplexität im Zusammenhang mit der Einhaltung der elektrischen Schicht von USB 3.0 erheblich. Es wird dringend empfohlen, dass Entwickler ihre Designs anhand dieser Anforderungen überprüfen, bevor sie einen Konformitätstest bei einer der USB-IF-Sitzungen oder in einem unabhängigen Labor versuchen.
Link-Layer-Test
Die entscheidende Rolle der Verbindungsschicht beim Aufbau und der Aufrechterhaltung der Integrität der Verbindung zwischen Host und Gerät hat umfangreiche Testanforderungen seitens der SuperSpeed-Verbindungsschicht zur Folge. Über 130 verschiedene Link-Layer-Standards wurden mit 40 einzigartigen Tests getestet. Die M3 Voyager-Plattform von Teledyne LeCroy ist eine der Plattformen, die als LINK-LVS-Layer-Verifizierungssystem (Link Verification Systems) zugelassen ist. Voyager M3 ist die einzige Lösung, die auf einem integrierten Parser/Builder basiert, bei dem alle Tests als Skripte geladen werden und Benutzer den Quellcode zum Debuggen oder zum Erstellen eigener Tests anzeigen und ändern können. Unten sind zwei Link-Layer-Testbeispiele.
TD7.5 Link Layer Conformance – Header Packet Framing Robustness: Überprüft, dass das zu testende Gerät (DUT) ein Paket mit einem einzelnen Fehlersymbol im HPSTART-Frame nicht zurückweist. Während dieses Tests verbindet sich der als Host oder Gerät fungierende Verkehrsgenerator mit dem DUT. Die Verbindungsinitialisierungssequenz wird durchgeführt und der Verkehrsgenerator überträgt das erforderliche Verbindungsverwaltungspaket mit Fehlern im ersten Symbol der HPSTART-Sequenz. Besteht den Test, wenn die Link-Initialisierung erfolgreich abgeschlossen wird. Die Verbindung wird neu initialisiert und der Test wird wiederholt, wobei Fehler in das zweite, dritte bzw. vierte Symbol der HPSTART-Sequenz eingefügt werden. Um das DUT zu passieren, muss es das Paket erkennen und für mindestens 50 ms in U= sein.
In ähnlicher Weise validiert der TD.7.7-RX Header Packet Retransmission Test, dass das UT Pakete mit einem einzigen ungültigen Zeichen im Nutzdatenteil des Paketheaders zurückweist. In dieser Situation erfordert die Spezifikation, dass das DUT das Paket zurückweist, indem es mit einem LBAD-Bindungsbefehl antwortet. Das DUT muss in U0 bleiben, während der Verkehrsgenerator einen gültigen LMP weiterleitet, der von dem DUT bestätigt werden muss. Dieser Test wurde auf 16 verschiedene Iterationen ausgeweitet, nachdem festgestellt wurde, dass sich einige DUTs abhängig von dem Symbol, das in den Header eingefügt wurde, unterschiedlich verhielten. Das folgende Bild zeigt einen normalen Fehlerzustand, bei dem das DUT in die Wiederherstellung übergeht, nachdem ein EPF-Symbol (Paketende) in der Mitte des Nutzdaten-Headers angezeigt wird.
Zusammenfassung
USB hat einen wohlverdienten Ruf als einfachste und zuverlässigste Form der Verbindung. Das USB-IF-Compliance-Programm war der Eckpfeiler für Benutzer, um diese Erfahrung zu machen. Die Gewährleistung einer einwandfreien Interoperabilität von Geräten, die am SuperSpeed-Logo-Zertifizierungsprogramm teilnehmen, ist ein wesentlicher Bestandteil der erfolgreichen Markteinführung der USB-Technologie.
Das USB 3.0-Zertifizierungsprogramm stellt aus Sicht des OEM-Designs einen erheblichen Testaufwand dar. Die oben aufgeführten Beispiele spiegeln nur einige der Komplexitäten wider, mit denen OEMs konfrontiert sind, wenn sie mit der USB 3.0-Zertifizierung beginnen.
„Know Before You Act“ hebt die Bedeutung einer sorgfältigen Überprüfung hervor, bevor Sie sich zur Zertifizierung an eine USB-IF-Arbeitsgruppe wenden.
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