Microsoft PowerPoint _TS-1_ET2011(TS)Rev2.1

TS-# TS-1 ₁

USB3.0の

の

の

の使

使

使

使い

い

い

い方

方

方

方

レクロイ･ジャパン株式会社

取締役 技術部長 辻 嘉樹

組込み総合技術展2011

テクニカル・セッション

2011 2011 2011 2011年年年年111111月11月月16月1616日16日日日（（（（水水水）水））） 10:0010:0010:0010:00～～～～11:3011:3011:3011:30 パシフィコ パシフィコ パシフィコ パシフィコ横浜横浜横浜 会横浜会会議会議議センタ議センタセンタセンターー4Fーー4F4F4F (416(416(416(416・・・・417)417)417)417)

内容

• USB3.0の特徴

• リンク層の解説

• 高速化による物理層の影響

• USB3.0のコンプライアンス試験

– 送信器試験

– 受信器試験

TS-# TS-1 ₃

USB3.0のマーケット予想

TS-# TS-1 ₄

製品展開の予測

TS-# TS-1 ₅

HDビデオ･アプリケーション

内容

• USB3.0の特徴

• リンク層の解説

• 高速化による物理層の影響

• USB3.0のコンプライアンス試験

– 送信器試験

– 受信器試験

TS-# TS-1 ₇

コネクタ

•4本のレガシースピード用信号ラインと 5本のSuperSpeed用信号ラインが実装されている •AコネクタはUSB2.0のStandard と同一サイズ •BコネクタはUSB2.0のStandard の上部にSS信号を追加 A AA Aコネクタコネクタコネクタコネクタ BBBBコネクタコネクタコネクタコネクタ •ポータブルデバイス向け小型USB3.0 Connector •薄型のポータブルデバイスに実装することを考慮してUSB3.0とUSB2.0のコネクタを水平に配置 TS-# TS-1 ₈

USB 3.0の基本構造

Non-SuperSpeed High-Speed Full-Speed Low-Speed Super-Speed SuperSpeed Hub USB2.0 Hub Non-SuperSpeed Function SuperSpeed Function USB3.0 Host USB3.0 Hub

USB3.0 Peripheral Device Composit Cable Non-SuperSpeed [USB2.0] Extended Connector(s) Extended Connector(s) SuperSpeed •デバイスのデバイスのデバイスのデバイスの接続接続接続トポロジーは接続トポロジーはトポロジーはトポロジーは USB2.0 USB2.0USB2.0 USB2.0とととと同同同じホスト同じホスト中心じホストじホスト中心中心中心のののの スススス ター ターター ター型型型型

•USB3.0USB3.0USB3.0USB3.0ででで採用で採用採用採用されたされたされたされたSuper Super Super Super Speed

SpeedSpeed

Speed通信通信通信通信ととと従来と従来の従来従来のののUSB2.0USB2.0USB2.0USB2.0通通通通 信 信信 信はははは物理層物理層物理層物理層レベルでレベルで完全レベルでレベルで完全完全完全ににに分に分分分 離 離離 離されているされているされているされている。。。。 信号線 信号線信号線 信号線ををを完全を完全完全完全ににに分離に分離分離分離することですることですることですることで 伝送速度差 伝送速度差伝送速度差 伝送速度差をををを調整調整調整せずにデー調整せずにデーせずにデーせずにデー タ タタ タ転送転送転送転送することができるすることができるすることができるすることができる。。。。 ※USB3.0 ※USB3.0 ※USB3.0

※USB3.0デバイスがデバイスがデバイスがデバイスがSuperSpeedSuperSpeedSuperSpeedSuperSpeedとととと RegacySpeed RegacySpeed RegacySpeed RegacySpeedををを同時を同時同時同時にににに動動動動かすことかすことかすことかすこと は は は は認認認認められていないめられていないめられていない。められていない。。。

TS-#

TS-1 ₉

データの伝送

Host SS Downstream Device

LS,FS,HS Downstream LS,FS,HS Upstream SS Upstream 半二重通信 全二重通信

信号波形の違い

• USB3.0は、アクティブな間は常に信号が流れています。 USB2.0 USB3.0

TS-# TS-1 ₁₁

信号の流れ

TS-# TS-1 ₁₂ SDP1+ SDP1-SDP1 Drain SDP2-SDP2+ SDP2 Drain SuperSpeed [Host->Device] [Device->Host]

ケーブル

USB2.0用ケーブル

USB3.0用ケーブル

D-D+ Power Ground Vbus USB2.0

TS-# TS-1 ₁₃

USB3.0のケーブル

5Gbps転送レートを実現するための性能 NEXT, FEXT SCD12 SDD11 SDD12

USB2.0 Attenuation SuperSpeed の仕様:

•Attenuation (SDD12)

•Crosstalk (NEXT, FEXT)

•Differential-to-Common Mode Conversion (SCD12) •Return Loss(SDD11) 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 d B Frequency (GHz) 0 1 2 3 4 5 6 7

ホストコントローラー

USB 1.1 USB 1.1 USB 1.1

USB 1.1 USB 2.0USB 2.0USB 2.0USB 2.0 USB 3.0USB 3.0USB 3.0USB 3.0 ホストコントローラ

ホストコントローラホストコントローラ

ホストコントローラ OHCI/ UHCIOHCI/ UHCIOHCI/ UHCIOHCI/ UHCI EHCIEHCIEHCIEHCI XHCIXHCIXHCIXHCI

転送速度 転送速度 転送速度 転送速度 1.5Mbps/ 12Mbps1.5Mbps/ 12Mbps1.5Mbps/ 12Mbps1.5Mbps/ 12Mbps 480Mbps480Mbps480Mbps480Mbps 5Gbps 5Gbps 5Gbps 5Gbps 配線 配線 配線 配線 差動式差動式・差動式差動式・・・半二重半二重半二重半二重 差動式差動式・差動式差動式・・・全二重全二重全二重全二重 トランザクション トランザクション トランザクション

トランザクション HostHostHost制御Host制御制御、制御、、ポーリング・ブロードキャスト、ポーリング・ブロードキャストポーリング・ブロードキャストポーリング・ブロードキャスト Host制御HostHostHost制御制御制御、、、、非同期転送非同期転送非同期転送非同期転送・・・・ ユニキャスト ユニキャストユニキャスト ユニキャスト 備考 備考 備考

備考 ---- USB 1.1USB 1.1USB 1.1USB 1.1とのとのとの下位との下位下位下位 互換性 互換性 互換性 互換性 USB 1.1/2.0 USB 1.1/2.0 USB 1.1/2.0 USB 1.1/2.0とのとのとの下位互との下位互下位互下位互 換性 換性 換性 換性

TS-#

TS-1 ₁₅

Transferの比較

High Speed Super Speed

Control transfer

Max Packet Size ： 64Byte Burst Size ： 未定義 Sequence Number ：未定義 OUT Flow Control (PING)をサポート

Max Packet Size ： 512Byte Burst Size ： 1

Sequence Number ： 0～31 Flow Control (ERDY)をサポート

Bulk transfer

Max Packet Size ： 512Byte Burst Size ： 未定義 Sequence Number ：未定義 OUT Flow Control (PING)をサポート

Max Packet Size ： 1024Byte Burst Size ： 1～16 Sequence Number ： 0～31 Flow Control (ERDY)をサポート

Interrupt transfer

Max Packet Size ： 0 ～ 1024Byte X 3 Data rate: 192 Mb/s

Burst Size ： 未定義 Sequence Number ：未定義 Flow Control を未サポート

Max Packet Size ： 1024Byte (Burst時) Data rate: 192 Mb/s

Burst Size ： 1～3 Sequence Number ： 0～31 Flow Control (ERDY)をサポート

Isochronous transfer

Max Packet Size ： 0 ～ 1024Byte X 3 Data rate: 192 Mb/s

Burst Size ： 未定義 Sequence Number ：未定義 Flow Control を未サポート

Max Packet Size ： 1024Byte (Burst 時) X3 Data rate: 1 Gb/s Burst Size ： 1～16 Sequence Number ： 0～31 PING -> PING_RESPONSEをサポート TS-# TS-1 ₁₆

電力管理

特性 特性特性

特性 USB2.0USB2.0USB2.0USB2.0 SuperSpeed USBSuperSpeed USBSuperSpeed USBSuperSpeed USB 電力管理

電力管理 電力管理

電力管理 ActiveActiveとActiveActiveとととSuspendSuspendをSuspendSuspendををを ソソソソ フトウェアレベルで フトウェアレベルでフトウェアレベルで フトウェアレベルで 電電電電 力管理 力管理力管理 力管理 マルチレベル・リンク マルチレベル・リンクマルチレベル・リンク マルチレベル・リンク電力管理電力管理電力管理：電力管理：：： Active , Idle , suspend

Active , Idle , suspend Active , Idle , suspend

Active , Idle , suspend をリンクレイをリンクレイをリンクレイをリンクレイ ヤー ヤーヤー ヤー、、、、ホスト・デバイスホスト・デバイスホスト・デバイスホスト・デバイス、、、、ソフトウェアソフトウェアソフトウェアソフトウェア の のの の複数複数複数複数レベルでレベルでレベルでレベルで 電力管理電力管理電力管理電力管理 バス・パワー バス・パワー バス・パワー

バス・パワー Low Power : 100mALow Power : 100mALow Power : 100mALow Power : 100mA High Power : 500mA High Power : 500mA High Power : 500mA High Power : 500mA

Low Power : 150mA Low Power : 150mA Low Power : 150mA Low Power : 150mA High Power : 900mA High Power : 900mA High Power : 900mA High Power : 900mA

TS-# TS-1 ₁₇

内容

• USB3.0の特徴

• リンク層の解説

• 高速化による物理層の影響

• USB3.0のコンプライアンス試験

– 送信器試験

– 受信器試験

Link Layer

Link Layer

Link Layer

Link Layerの

の

の

の存在理由

存在理由

存在理由

存在理由

Phy Layer Phy Layer Phy Layer Phy Layer

Protocol

Protocol

Protocol

Protocol

Layer

Layer

Layer

Layer

Packet Packet Packet Packet

Software

Software

Software

Software

Command CommandCommand Command USB2.0 USB2.0 USB2.0 USB2.0ののの場合の場合場合場合

①

①

①

①既存技術

既存技術

既存技術

既存技術の

の

の採用

の

採用

採用(PCIe Gen2)

採用

(PCIe Gen2)

(PCIe Gen2)

(PCIe Gen2)

②

②

②

②拡張性

拡張性

拡張性

拡張性(Protocol Layer)

(Protocol Layer)

(Protocol Layer)

(Protocol Layer)

Frame FrameFrame Frame Packet PacketPacket Packet

Phy Layer

Phy Layer

Phy Layer

Phy Layer

Link Layer

Link Layer

Link Layer

Link Layer

Protocol

Protocol

Protocol

Protocol

Layer

Layer

Layer

Layer

Software

Software

Software

Software

Command Command Command Command USB3.0 USB3.0USB3.0 USB3.0のののの場合場合場合場合

リンク層

TS-# TS-1 ₁₉

PHYのアーキテクチャ

TS-# TS-1 20

Packet Header

Packet Header

Packet Header

Packet Header

Header Packet

Data Packet

SS Packet

Header Header Header

HeaderとととPayloadとPayloadPayloadPayloadをををを各々各々各々各々フレーミングフレーミングフレーミングフレーミング

Payload

Payload

Payload

Payload

Packet Header

Packet Header

Packet Header

Packet Header

フレーミング フレーミング フレーミング フレーミング情報情報情報情報

フレーム構造

TS-# TS-1 ₂₁

Packet Header フレーミングの例

（Transaction Packet）

＊Packet Headerは下記3つでフ レーミングされる

1.SHP(Start Header Packet) 2.EPF(End Packet Frame) 3.Link Control Word

Packet Header

Data Packet (DP) のフレーミング

•Data Packet(DP)はHeaderとData Payloadから構成される •DPはFraming化したHeaderとData Payloadが結合した状態になる Data Payload Data Header

TS-# TS-1 23

リンクコマンド

目的

目的

目的

目的

：：

：リンク

：

リンク

リンク

リンク維持

維持のために

維持

維持

のために

のために

のために使用

使用

使用

使用されるコマンド

されるコマンド

されるコマンド

されるコマンド

LGOOD_n (n=0 LGOOD_n (n=0LGOOD_n (n=0

LGOOD_n (n=0～～～～7)7)7)7) FrameFrameFrameをFrameをを受信を受信したことを受信受信したことをしたことを相手したことを相手相手相手にに伝にに伝伝伝えるえるえるえる LBAD

LBADLBAD

LBAD FrameをFrameFrameFrameをを正常を正常正常に正常にに受信に受信受信受信ができなかったことをができなかったことを通知ができなかったことをができなかったことを通知通知通知するするするするCommandCommandCommand（Command（（（Link Link Link Link Layer

LayerLayer LayerののののNAKNAKNAKNAK）））） LRTY

LRTYLRTY

LRTY FrameFrameのFrameFrameのの再送の再送再送を再送を通知をを通知通知通知するするするCommandするCommandCommandCommand LRTY Command

LRTY CommandLRTY Command

LRTY Command送信後送信後送信後送信後にににに相手相手相手が相手ががが受信受信できなかった受信受信できなかったできなかったFrameできなかったFrameFrameをFrameを再送をを再送再送再送するするするする LCRD_x (x=A

LCRD_x (x=ALCRD_x (x=A

LCRD_x (x=A～～～～D)D)D)D) Local Credit Local Credit （Local Credit Local Credit （（（使用使用使用した使用したしたしたBufferBufferBufferBuffer））））情報情報情報情報をををを相手相手相手相手にに通知にに通知通知通知するするするするCommand Command Command Command Frame

FrameFrame

Frame受信後受信後受信後に受信後にに必に必ず必必ずずず送信送信送信送信するするするする LUP

LUPLUP

LUP Up StreamUp StreamのみでUp StreamUp Streamのみでのみで使用のみで使用使用使用されされされ、され、そのリンクがアクティブ、、そのリンクがアクティブそのリンクがアクティブ（そのリンクがアクティブ（（（U0U0）U0U0）））であることであることであることであること通通通通 知

知知

知するするする 10μsする 10μs10μs10μs毎毎に毎毎ににに送信送信送信する送信するするする LGO_Ux (x=1,2,3)

LGO_Ux (x=1,2,3)LGO_Ux (x=1,2,3)

LGO_Ux (x=1,2,3) Power ManagementPower Management状態Power ManagementPower Management状態状態への状態へのへの移行要求への移行要求移行要求移行要求 LAU

LAULAU

LAU Power ManagementPower Management状態Power ManagementPower Management状態状態への状態への移行承諾へのへの移行承諾移行承諾移行承諾(ACK)(ACK)(ACK)(ACK) LXU

LXULXU

LXU Power ManagementPower Management状態Power ManagementPower Management状態状態への状態への移行拒否へのへの移行拒否移行拒否移行拒否(NAK)(NAK)(NAK)(NAK) LPMA

LPMALPMA

LPMA LAULAUのLAULAUのの受信通知の受信通知受信通知受信通知 ※

※※

※リンクコマンドはリンクコマンドはリンクコマンドはリンクコマンドはLink LayerLink LayerLink LayerLink Layerのみでのみでのみで使用のみで使用使用使用されるされるされるされる

TS-#

TS-1 ₂₄

リンクコマンドの使用例(LGOOD, LCRD)

Link Control Word (Header Sequence#) Link Control Word (Header Sequence#)Link Control Word (Header Sequence#) Link Control Word (Header Sequence#)

TS-#

TS-1 ₂₅

リンクコマンドの使用例(LBAD・LRTY)

TS-#

TS-1 ₂₇

Link State Link State Link State

Link State 状態状態状態状態 復帰復帰復帰復帰(U0)(U0)までの(U0)(U0)までのまでのまでの時間時間時間時間

U0

U0

U0

U0

アクティブアクティブアクティブアクティブ NANANANA

U1

U1

U1

U1

アイドルアイドル(Fast Exit)アイドルアイドル(Fast Exit)(Fast Exit)(Fast Exit) 10µs 10µs 10µs 以下10µs 以下以下以下

U2

U2

U2

U2

アイドルアイドル(Slow Exit)アイドルアイドル(Slow Exit)(Slow Exit)(Slow Exit) 2ms 2ms 2ms 2ms 以下以下以下以下

U3

U3

U3

U3

サスペンドサスペンドサスペンドサスペンド ms ms オーダーms ms オーダーオーダーオーダー

•

U3→U0

U3

U3

U3

→U0

→U0 の

→U0

の

の遷移時間

の

遷移時間

遷移時間

遷移時間は

は

は U2→U0

は

U2→U0の

U2→U0

U2→U0

の

の

の遷移時間

遷移時間

遷移時間

遷移時間より

より

より長

より

長

長い

長

い

い

い

•

PM(U1/U2

PM(U1/U2

PM(U1/U2

PM(U1/U2))))の

の

の要求

の

要求はホスト

要求

要求

はホスト

はホスト

はホスト、

、

、デバイス

、

デバイス

デバイス

デバイス

ど

ど

ど

どちらからでも

ちらからでも

ちらからでも

ちらからでも要求可能

要求可能

要求可能

要求可能

•

U0

U0

U0から

U0

から

からU1,U2

から

U1,U2の

U1,U2

U1,U2

の

の

の移行

移行

移行

移行は

はLink Layer

は

は

Link Layer

Link Layer

Link Layerが

が

が

が自動的

自動的に

自動的

自動的

に

に行

に

行

行う

行

う

う

う

パワーマネージメント

TS-#

TS-1 ₂₈

TS-#

TS-1 ₂₉

パワーマネージメント

TS-#

TS-1 ₃₁

Link Polling Substate (LTSSM)

LFPS_Polling LFPS_PollingLFPS_Polling LFPS_Polling

Polling RX_EQ Polling RX_EQ Polling RX_EQ Polling RX_EQ (TSEQ) (TSEQ) (TSEQ) (TSEQ) Polling Active Polling Active Polling Active Polling Active (TS1) (TS1) (TS1) (TS1) Polling Configuration Polling ConfigurationPolling Configuration Polling Configuration (TS2) (TS2) (TS2) (TS2) Exit to U0 Exit to U0Exit to U0 Exit to U0 TS-# TS-1 ₃₂

パケットの流れ

TS-# TS-1 ₃₃ USB2.0 USB2.0USB2.0 USB2.0のののの場合場合場合場合 「IＮ Token」はハンドシェイク(ACK)に置き換えられた USB3.0 USB3.0USB3.0 USB3.0のののの場合場合場合場合

USB3.0のIn Transaction

USB2.0 USB2.0USB2.0 USB2.0のののの場合場合場合場合

USB3.0のOut Transaction

「OUT Token」はデータパケットと合体 USB3.0 USB3.0USB3.0 USB3.0のののの場合場合場合場合

TS-# TS-1 ₃₅ USB2.0 USB2.0 USB2.0 USB2.0ののの場合の場合場合場合

USB3.0のSetup Transaction

USB3.0 USB3.0USB3.0 USB3.0のののの場合場合場合場合 「Setup Token」はデータパケットと合体 TS-# TS-1 ₃₆

Bulk Transfer (Burst)

• データ

データ

データ

データ受信側

受信側

受信側

受信側からのハンドシェイクを

からのハンドシェイクを

からのハンドシェイクを待

からのハンドシェイクを

待たずに

待

待

たずに

たずに連続

たずに

連続

連続

連続してデータ

してデータ

してデータ

してデータ

パケットを

パケットを

パケットを

パケットを送信

送信

送信

送信

• 目的

目的

目的

目的：

：：

：スループット

スループット

スループット向上

スループット

向上

向上

向上

• ACK TP

ACK TP

ACK TP

ACK TPに

に

に

に受信可能

受信可能

受信可能

受信可能なデータパケット

なデータパケット数

なデータパケット

なデータパケット

数

数の

数

の

の情報

の

情報

情報

情報(Number of

(Number of

(Number of

(Number of

Packet : NumP)

Packet : NumP)

Packet : NumP)

Packet : NumP)を

を

を

を格納

格納

格納

格納

TS-#

TS-1 ₃₇

Burst Transferによる高速転送

Bulk Transfer(Stream)

Ack Packetフィールド

• Bulk

Bulk

Bulk転送

Bulk

転送

転送データに

転送

データに

データに

データにStreamID

StreamIDを

StreamID

StreamID

を

を

を付加

付加

付加

付加する

する

する

する転送

転送

転送

転送

• 目

目

目的

目

的

的：

的

：：

：バスの

バスの

バスの

バスの占有時間短縮

占有時間短縮

占有時間短縮

占有時間短縮

TS-# TS-1 ₃₉

Stream Transferによる高速転送

TS-# TS-1 ₄₀

SKIPオーダーセット

TS-# TS-1 ₄₁

内容

• USB3.0の特徴

• リンク層の解説

• 高速化による物理層の影響

• USB3.0のコンプライアンス試験

– 送信器試験

– 受信器試験

チャンネルによる減衰で起きるISI

TS-# TS-1 ₄₃

イコライザの効果

TS-# TS-1 ₄₄

リファレンス･イコライザ

• ここで示されたCTLE (Continuous Time Linear Equalizer)は、リファレンス・チャンネルを対象 として最適化された特性ですが、実際の機器で実現されるイコライザの特性や構成については、 メーカーの裁量によります。

TS-# TS-1 ₄₅

イコライザのトレーニング

• 実際の機器では、TSEQシーケンスを使ってイコライザの特性を最適化する ので、イコライザの特性はチャンネルの構成に従って変化します。

リンク・トレーニング/ステータス

ステート･マシン

TS-# TS-1 ₄₇

トレーニング･シーケンス

Idle 5ms デバイス

ホストLFPS TSEQ 32 symbols × 10 bit × 65,536 × 200ps =4.194304ms TS1/TS2

TS-#

TS-1 ₄₈

TS-# TS-1 ₄₉

内容

• USB3.0の特徴

• リンク層の解説

• 高速化による物理層の影響

• USB3.0のコンプライアンス試験

– 送信器試験

– 受信器試験

試験仕様

Electrical Compliance Test Specification SuperSpeed Universal Serial Bus

Date: Sept 12 2009 Rev: 0.9

TS-# TS-1 ₅₁

測定の概要

• 6.2.1測定概要 • 規格に準拠したSuperSupeedのアイパターンは、コンプライアンス・チャンネルを通して計測が 行われます。このコンプライアンス･チャンネルは、ロング・チャンネル、ショート・チャンネルと3 メートル・ケーブルからなっています。これは、コンプライアンス試験で3つの別々の検査が必要 になります。これらのリファレンス･チャンネルは、USB SuperSupeed Compliance

Methodology Wite Paperで記述されます。アイパターンは、セクション6.5.2で記述されるク ロック・リカバリ機能を使用して計測されます。 • ロング･チャンネルの場合には、レシーバー端のアイパターンは、完全に閉じてしまいます。セ クション6.8.2に記述されるリファレンス･レシーバー・イコライザの特性は、コンプライアンス・ チャンネルに最適化されたもの、レシーバ端のアイを開くことができます。 TS-# TS-1 ₅₂

リファレンス･チャンネル

• リファレンス･チャンネルは、実際の使用環境をシミュレートするために、ロン

グ・チャンネル(Back Panelを想定)とショート･チャンネル(Front Panelを想 定)が考慮されています。

TS-#

TS-15353 ₅₃

テスト･フィクスチャとケーブル

Device Test fixture Host Test fixture

Device 11” Trace Ref Channel Host 5” Trace Ref Channel

3M Cable

Device Cal Fixture

TS-# TS-1 ₅₅

内容

• USB3.0の特徴

• リンク層の解説

• 高速化による物理層の影響

• USB3.0のコンプライアンス試験

– 送信器試験

– 受信器試験

TS-# TS-15656 ₅₆

信号品質の低下と受信器ジッタ耐性の劣化

2011/11/17 5 6 高速伝送が、信号品質を低下させ、受信器のジッタ耐性を劣化させる
受信器は、小さなマージンで動作しなければならない 送信器アイパターン 受信器アイパターン 1.5 Gbps 3.0 Gbps 6.0 Gbps

受信器のジッタ耐性試験は必須!

TS-#

TS-1 ₅₇

SS USB – 受信部コンプライアンス試験

• Super Speed USB 仕様は受信部トレランス（耐性）コンプライアンスを

「標準コンプライアンス・テスト」として要求します

• Super Speed USB仕様 Rev 1.0 Final Section 6.8.5とUSB3.0 Electrical Compliance Methodology White Paper(Revision 0.9) に記 述されています

TS-# TS-1 ₅₉

ループバック･モードへの移行

TS-# TS-1 ₆₀

ジッタ耐性試験結果

TS-#

TS-1 ₆₁