하드와이어 칩 간 애플리케이션 용도로 사용할 때 USB에 비해 주목할 만한 장점들을 갖고 있는 HSIC(High-Speed Inter-Chip) 인터페이스의 인기가 높아지고 있다. 이 인터페이스는 2신호 소스 동기 인터페이스로서, 480Mb/s의 USB High-Speed 데이터 속도를 제공한다. 데이터 전송 시 기존 USB 토폴로지와 호스트 드라이버가 호환된다. 이 형식은 Full-speed(FS)와 Low-speed(LS)는 지원하지 않지만, 허브를 사용할 경우 HSCI에서도 FS와 LS가 지원된다.

이 인터페이스가 USB와 다른 점은 물리층뿐이다. 주요 특징은 처프(Chirp) 프로토콜이 필요하지 않고, 소스 동기 시리얼 데이터 전송을 실행하며, 인터페이스가 항상 연결돼 있으므로 실행 중 제거나 연결이 필요 없다는 점이다.

또한 이 인터페이스는 1.2V 신호 레벨을 가지므로 표준 LV CMOS 레벨을 사용하는 저전력 애플리케이션에 적합하다. 최대 트레이스 길이는 10cm이다. 그림 1과 같이, HSIC를 통한 호스트와 디바이스 사이의 데이터 트랜잭션 프로토콜은 USB와 동일하다.

▲ 그림 1. 호스트에서 디바이스로 전송된 데이터 패킷

주된 차이점은 모든 정보가 단일 데이터 라인을 통해 전송되고, 수신된 데이터 신호를 언제 샘플링할지 스트로브 신호를 사용해 알려준다는 데 있다. HSIC는 DDR (Double Data Rate) 시그널링을 사용한다. 다시 말해 스트로브 신호의 상승 에지와 하강 에지에서 모두 데이터를 샘플링하는 것이다. 스트로브 신호는 240MHz 주파수로 발진하며, 전체 데이터 속도는 480Mb/s가 된다.

USB에 비해 HSIC가 갖고 있는 장점

앞서 언급했듯이 HSIC는 USB에 비해 중요한 이점들을 제공한다. 우선 디지털 표준이므로 아날로그 프론트 엔드가 필요 없다. 아날로그 프론트 엔드가 없어도 된다는 것은 다이 크기를 줄일 수 있으며, 따라서 비용을 낮출 수 있다는 것을 의미한다.

또한 연결 프로토콜이 단순하기 때문에 더 적은 양의 디지털 로직으로도 충분하고 다이 크기를 더 줄일 수 있다. HSIC 표준은 본질적으로 전력 소모를 낮추지는 않지만, 아날로그 프론트 엔드가 필요하지 않기 때문에 저전력 디자인이 가능하다.

특히 HSIC를 일시정지(Suspended) 상태로 전환하면 스트로브 라인이나 데이터 라인으로 전류 인출이 없으므로 특히 전력을 낮출 수 있다. 이와 비교해 표준 USB는 일지정지 상태일 때 1.5kΩ 풀업 저항을 통해 D＋에서 최소 200μA를 소모한다.

또한 HSIC는 물리층에서만 USB와 다르므로, USB에서 HSIC로 이전할 경우 완전히 새로운 표준으로의 전환처럼 힘을 들일 필요가 없다. 즉 기존의 USB 소프트웨어 스택 및 USB 프로토콜 지식 기반을 HSIC로 빠르게 이전할 수 있다.

데이터 샘플링

표준 USB에서는 리시버 클록이 수신 데이터 위상과 동기화되도록 모든 데이터 패킷을 싱크 패턴으로 시작한다. 그런 다음 이 싱크 패턴에 따라 D＋/D－ 신호의 차동 신호를 샘플링한다. HSIC는 수신 데이터를 언제 샘플링할지 리시버로 알려주기 위해 별도의 스트로브 라인을 사용한다.

이 HSIC 데이터 신호는 스트로브 신호의 상승 에지 및 하강 에지에서 샘플링된다. 따라서 스트로브 신호와 데이터 신호가 어떠한 이유로든 치우치면 샘플링된 데이터가 왜곡될 수 있다. HSIC의 전기 규격(Electrical Specification)에서는 허용 가능한 최대 스큐를 15ps로 정의하고 있다.

스큐 문제가 발생하지 않으려면 HSIC 트레이스를 되도록 짧게 해야 하며 10cm를 넘지 말아야 한다. 데이터 트레이스와 스트로브 트레이스의 길이는 같아야 하며, 50Ω 단일종단(Single-ended) 임피던스로 배선해야 한다.

실제로 발생할 수 있는 스큐를 설명하기 위해, 그림 2는 동일한 길이로 호스트에서 디바이스로 전송되는 테스트 패킷 시작 부분을 보여준다.

▲ 그림 2. 동일한 HSIC 트레이스 길이

그림 3은 스트로브 트레이스가 데이터 트레이스보다 10cm 가량 더 길 때, 동일한 호스트로부터 동일한 패킷을 전송한 경우를 보여준다. 그 결과 스큐는 거의 0.5나노초에 달한다. 이는 극단적인 예지만, 길이가 조금만 차이가 나도 HSIC의 정해진 규격을 벗어난다는 점을 알 수 있다.

▲ 그림 3. 스트로브 트레이스가 데이터 트레이스보다 10cm 더 긴 경우

단일 종단 특성과 신호 종단 차이 때문에 HSIC 라인을 프로브할 때 어려움이 있을 수 있다. 표준 USB 신호는 오실로스코프에 연결된 차동 프로브를 트랜스미터 측이나 리시버 측으로 연결해 손쉽게 모니터링하고 해독할 수 있다. 하지만 HSIC 신호는 좀 더 민감하므로 이들 신호를 프로브할 때는 전송 라인 이론을 고려해야 한다.

일반적인 가이드라인은 살펴보고자 하는 신호 소스의 반대편에서 프로브를 연결하는 것이다. 예를 들어 디바이스에서 나온 신호를 살펴보려면 호스트 측 단자로 프로브를 연결한다. 그리고 호스트에서 나온 신호를 살펴보려면 프로브를 디바이스 측 단자로 연결한다.

디바이스 측에 프로브 연결 시 디바이스에서 발생한 신호를 살펴보려고 하면 신호가 왜곡된다. 이는 신호가 스스로 반사되면서 발생하는 간섭 때문이다. 트레이스 중간을 프로브할 수도 있지만, 이 경우 어느 한 쪽에서 프로브할 때만큼 결과가 명확하지는 않다. 양 끝에서 동시에 프로브하는 것이 이상적이다. 시리즈 프로토콜 분석기를 사용해 양 방향에서 신호들을 정확하게 샘플링할 수도 있지만, 트레이스 길이의 10cm 제한 때문에 이 방법은 현실적으로 어렵다.

연결하기

HSIC 인터페이스는 호스트나 주변장치를 어떤 순서로든 구동할 수 있게 구조화되어 있다. 거짓 연결이 감지되지 않도록 하려면 호스트, 허브, 주변장치는 스트로브 라인이나 데이터 라인이 3상태(Tri-stated)라고 불리는 비확정 값으로 부동 상태가 되지 않게 해야 한다.

그림 4는 연결 시퀀스의 오실로스코프 화면을 보여준다. 속도 협상을 할 필요가 없기 때문에 이 연결 시퀀스는 USB 연결 시퀀스보다 훨씬 간단하다. 따라서 아주 간단한 상태 머신을 사용해 이 시퀀스를 처리할 수 있으며, 이를 통해 다이 크기를 줄일 수 있다.

▲ 그림 4. 휴지 및 일시정지 상태에서 연결 및 시그널링 재개 상태로

전환할 때의 연결 시퀀스

표준 USB에서는 호스트가 DP/DM 신호 전압의 크기를 모니터링함으로써 하위 포트의 연결이 끊어졌는지 판단할 수 있다. 이 전압이 연결 끊김 전압 임계값을 넘으면, 호스트는 디바이스의 연결이 끊어졌다고 판단할 수 있다. HSIC는 하드와이어용으로서 항상 연결돼 있으므로 연결 끊김 프로토콜을 지원하지 않는다. 하지만 여전히 하위 디바이스의 연결이 끊어진 것처럼 보이는 상황이 발생할 수 있으며, 이 경우 호스트가 디바이스와의 연결을 영구적으로 상실하지 않게 하려면 조치가 필요하다.

버스가 사용되지 않을 때 호스트는 항상 휴지 상태를 유지하는데 신호 관점에서 이 휴지 상태는 일시정지 상태나 마찬가지이므로, 분명 연결이 끊어지거나 교착 상태로 보이는 상황이 발생할 수 있다. 호스트는 하위 디바이스가 파워다운된 것인지 연결이 끊어진 것인지 알아낼 방법이 없다. 일시정지 시그널링은 휴지 시그널링과 동일하기 때문에, 하위 디바이스는 일시정지라고 간주하는 반면 상위 호스트는 하위 디바이스가 없다고 간주해 연결 신호가 도착하기를 무한정 기다리는 상황이 생길 수 있다. 하위 디바이스는 일시정지라고 간주하는데 상위 호스트가 이 포트를 정지시킨다면 마찬가지로 교착 상태가 생길 수 있다.

이러한 상태는 파워 사이클링이나 소프트 리셋을 하지 않는 호스트와 장치 사이에서는 발생하지 않는다. 이와 같은 문제가 발생하면, 링크나 소프트웨어 스택 레벨에서 애플리케이션에 따른 방식으로 해결해야 한다. 애초에 이러한 상황이 발생하지 않도록 소프트웨어 스택을 프로그래밍하거나 링크를 설계하여 해결할 수 있다.

아니면 HSIC 허브를 리셋함으로써 연결을 끊은 후 SoC로 하위 디바이스를 처리하도록 할 수 있다. 이 경우 디바이스 식별 시퀀스가 발생하고 연결이 재구축된다. 마이크로칩의 SoC 제품인 USB254x, USB3613, USB3813, USB4604, USB4624는 연결을 재구축하기 위해 VBUS_-DET 핀을 사용할 수 있다. 이 핀을 로우로 풀링하면 허브를 일시 정지시키고, 이 핀을 하이 풀링하면 웨이크업(기동)한다. 

▲ 그림 5. 마이크로칩의 SoC 제품군

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HSIC 표준은 연결 및 연결 끊김 프로시저를 제대로 준수할 경우, 하드와이어 애플리케이션용으로 USB그 이상의 이점들을 제공한다. 이러한 프로시저는 HSIC 연결과 관련된 문제들을 해결할 때 특히 중요하다. 

앤드류 로저스(Andrew Rogers)

마이크로칩 테크놀로지(Microchip Technology)