시리얼 버스 구현 방식이 획기적으로 변화하면서 설계자들은 단지 하나의 전송 경로가 아니라 동시에 다수의 레인에서 버스 활동을 획득하고 신호의 로직 및 물리적 특성을 모두 분석할 수 있는 분석 및 디버깅 솔루션을 추구하게 되었다.< 편집자 주>
성능이 검증된 1세대 시리얼 버스 기술은 현재 널리 배치되어 있다. 다양한 신규 소비재 제품에 PCI 익스프레스, SATA 및 기타 시리얼 구현 방식이 채택되고 있다. 시리얼 버스는 패러렐 버스에 비해 높은 데이터 전송 속도를 제공하는 동시에 회로 레이아웃을 간소화한다. 최근에는 주요 디자인에 이와 같은 첨단 시리얼 기술이 도입되기 시작했다.
더 빠른 시리얼 버스 기술 즉, 2세대 및 3세대 시리얼 버스 아키텍처인 HDMI 1.3, SATA III, PCI-Express 2.0 등이 출시되거나 개발되고 있다. 대부분의 최신 시리얼 데이터 버스 아키텍처는 데이터 전송 속도를 더 높이기 위해 멀티 레인 방식을 활용하고 있다. 멀티 레인 구성에서는 시리얼 데이터 패킷이 먼저 분해된 다음 4, 8 또는 그 이상의 ‘레인’을 통해 동시에 전송된다.
분명 4개의 레인은 1개의 시리얼 레인보다 더 많은 정보를 전달할 수 있다. 최근 널리 보급된 SERDES(serializer/ deserializer) 장치 기술 덕분에 송신 및 수신측에서 데이터를 분류하는 작업도 문제가 되지 않는다. SERDES를 통해 물리 계층 아키텍처는 더 이상 이전 패러렐 버스 디자인의 엄격한 타이밍 및 데이터 동기화 요구에 영향을 받지 않게 되었고 그 결과, 서로 관련되어 있지만 시간상으로 느슨하게 배열된 패킷 세그먼트가 트랜스미터와 리시버 사이의 개별 레인으로 전달된다. 2006년 말에서 2007년 초 사이 멀티 레인 구성은 4 레인에서 32 레인에 이르고 있다.
다수의 시리얼 버스 기술에서 공유하고 있는 또 다른 특징은 데이터 패킷의 8b/10b 인코딩이다. 8b/10b 인코딩 체계란 시리얼 전송을 위해 8비트 데이터 바이트를 10비트 기호로 변환하는 방식이다. 인코딩을 통해 데이터 값에 관계없이 1과 0이 비교적 균형 잡힌 조합을 이루게 되므로 클럭 복구가 간편해진다. 인코딩에서 추가되는 비트는 또한 오류 감지에도 유용하게 활용된다. 검증, 적합성 테스트, 문제 해결 작업의 일부로 신호를 획득하고자 하는 엔지니어의 경우 8b/10b 인코딩 방식으로 인해 추상 계층과 복잡성이 더해지는 단점도 있다.
텍트로닉스의 새로운 디지털 시리얼 분석기 DSA70000 시리즈는 물리 계층 및 프로토콜 획득 요구에 모두 부응하는 제품이다. DSA70000시리즈는 신호의 모든 아날로그 정보를 캡처하는 기존 오실로스코프 획득 방식과, 복잡한 패킷 데이터를 디코딩할 수 있지만 디지털(바이너리) 캡처라는 한계를 가진 프로토콜 분석기 사이의 오랜 차이를 극복한 제품이다.
물리 계층 문제에서 야기된 멀티 레인 획득 방식
DSA70000 제품은 시리얼 장치 검증, 적합성 테스트, 디버깅 작업에 완벽한 통합 접근 방식을 사용함으로써 물리 계층 설계 문제를 해결한다. 위 세 가지 분야의 요구조건은 신호 무결성 측정에서 명백한 논리적 오류의 추적에 이르기까지 다양하다.
멀티 레인 시리얼 버스에서 검증 또는 디버깅 작업을 수행하는 설계자들은 동시에 4개 이상의 레인에서 실시간 데이터 세트를 획득해야 한다. 검증의 경우, 프로세스 후반에 문제가 발견될 경우에 대비하여 추후 검색 및 심층 분석이 가능하도록 정보를 저장해야 한다. 항상 오류가 발생된 전후 배경을 이해하는 것이 필수적이다. 4개 레인의 시간 상관(time-correlated) 데이터를 기록한다면 오류 이벤트뿐 아니라 모든 레인에서 오류 전후의 이벤트에 대한 시각을 확보할 수 있다. DSA70000 시리즈는 완전한 실시간 샘플링 속도로 4개 레인 모두의 고속 시리얼 데이터 트래픽을 최고 4 ms까지 캡처할 수 있다.
디버깅의 경우, 설계자들은 멀티 레인 획득 기능을 통해 레인 사이의 상호 작용을 관찰할 수 있다. 오늘날과 같이 밀접하게 배치된 회로 디자인에서는 과도 현상이 하나의 신호 경로에서 인접한 다른 경로로 손쉽게 전파되는 ‘누화(crosstalk)’ 현상이 발생할 수 있는데 이는 고속 시리얼 장치에서 2개 이상의 레인에 영향을 주는 이상 현상 중 하나이다. DSA70000 시리즈는 완전한 샘플링 속도로 동시에 4 채널(레인)을 획득할 수 있으므로 예를 들어 2번 레인의 이상이 3번 레인의 신호에 어떤 영향을 주는 지 파악하기가 쉽다.
또한 DSA70000 오실로스코프는 우수성이 입증된 지터 분석 기능을 통해 동시에 4 채널 모두에서 TIE(Time Interval Error) 및 RJ/DJ(Random and Deterministic Jitter)와 같은 지터 특성을 포착할 수 있다.
다른 물리 계층 작업의 경우 ‘한 번에 한 레인’ 방식으로 처리된다. 특성 파악 측정의 경우 대부분 설계자들이 단일 채널 파형의 관점에서 신호 무결성 문제를 파악해야 한다. 또한 업계 표준에는 레인별 아이 다이어그램 분석이 규정되어 있다. DSA70000 시리즈는 최신 주요 시리얼 버스 표준에 적합하게 구성된 시리얼 적합성 테스트 및 분석 도구 세트를 통해 아이(eye) 분석 속도를 높여준다.
무결성 측정 분야의 특정 요구에 대응
1세대 시리얼 버스 아키텍처는 대부분 2.5 Gb/s에서 3.125 Gb/s 사이에 데이터 전송 속도가 집중되어 있었으며, 이러한 속도는 현재의 4 ~ 5 GHz 오실로스코프로도 충분히 감당할 수 있는 수준으로 생각되었다. 하지만 신호 충실도 측정, 특히 상승 시간 평가의 경우 훨씬 높은 대역폭이 필요하며, 대부분의 표준 기구는 이러한 요구를 인지하고 있다. 대부분의 표준은 오실로스코프가 버스 작동 기반 주파수의 5차 고조파를 트랜스미터 핀에서 정확하게 획득할 것을 요구하고 있다. 이는 상승 시간 측정 정확도를 5% 이내로 유지하기 위한 것이다
오실로스코프의 대역폭은 또한 아주 중요한 요소인 신호의 아이 다이어그램에도 영향을 준다. 이러한 업계 표준 오실로스코프 이미지는 적합성 및 검증 테스트의 초석으로, 하나의 포괄적인 화면에 1비트 또는 단위 시간의 데이터와 가능한 모든 에지 트랜지션 및 상태를 중첩 표시하는 이미지이다. 결과 화면에는 중앙에 있는 대략 6각형에 가까운 개방 영역을 둘러싼 다양한 파형 궤적이 표시된다. 이 도형이 바로 ‘아이(eye)’를 의미하며 개방 정도가 신호 품질의 척도가 된다. 시리얼 로직 장치가 데이터에 정확하게 응답하려면 아이 영역 내의 1과 0 상태를 분명하게 구분해야 한다. 아이 영역에서 성공/ 실패를 가려내기 위해 그래픽 ‘마스크’가 사용되기도 한다.
오실로스코프의 대역폭이 충분하지 못한 경우 신호를 포착할 때 최대 1 dB의 (수직) 진폭까지 롤오프(roll-off)될 수 있다. 이러한 손실은 대개 바이너리와 관련된 결정을 좌우하는 아이 다이어그램의 개방 영역에 영향을 미치는 경우가 많다. 따라서 충분한 대역폭은 아이 다이어그램 측정뿐 아니라 에지 측정의 경우에도 중요한 요소가 된다.
텍트로닉스의 새로운 디지털 시리얼 분석기 DSA72004는 이러한 표준에서 가장 중요한 부분인 타이밍 및 에지 측정에 필요한 대역폭을 제공한다. 이 제품의 대역폭은 20 GHz로(모든 채널에서 50 GS/s의 샘플링 속도 지원) 오늘날 점차 널리 사용되고 있는 시리얼 버스의 전체 범위를 포괄하고 있다. 파형 에지의 10 ~ 90%는 DSA72004의 입력 상승 시간이 22 ps에 불과하다. 또한 DSP 기반의 대역폭 확장 기술로 최고 속도 1세대 시리얼 표준의 5차 고조파 범위까지 평탄한 주파수 성능을 제공하며. 대역폭 확장 기능은 또한 모든 채널에서 최적의 주파수 및 진폭 응답 매칭을 보장한다.
고차 계층에 대한 해답을 제시하는 8b/10b 프로토콜 트리거링
DSA70000 시리즈는 업계 유일의 강력한 실시간 하드웨어 기능인 8b/10b 트리거링을 통해 설계자들이 프로토콜 관련 문제를 추적할 수 있도록 지원한다.
대부분의 시리얼 버스는 프로토콜 수준에서 ‘8b/10b’ 인코딩을 사용한다. 이 방식에서는 8비트 단어를 1과 0의 정연한 조합이 포함된 10비트 문자열로 매핑하여 클럭 복구와 오류 감지를 지원한다. 8b/10b 인코딩은 데이터와 제어 문자의 파운데이션을 제공한다. 개별 표준에는 이 공용 문자 세트를 기준으로 하는 고차 프로토콜 계층이 규정되어 있다.
물리 계층 문제는 프로토콜 오류를 발생시킬 수 있으며, 전송 로직 문제 또는 기타 문제로 인해 연결 계층과 같은 고차 계층에서 자체적으로 오류가 확산될 수 있다. 최근까지만 해도 프로토콜 획득은 전용 프로토콜 분석기의 영역이었지만 텍트로닉스는 최초로 TDS6000C 시리즈 초고성능 오실로스코프에 데이터 전송 속도가 최고 3.125 Gb/s에 달하는 8b/10b 트리거링 기능을 탑재하여 엔지니어들이 물리 계층 특성과 연계할 수 있는 고유 코드 조합을 포착할 수 있도록 지원했다. 또한 DSA70000 시리즈에도 동일한 기능을 통합하여 이 신 모델은 프로브 작업이 가능한 모든 위치에서 8b/10b 트래픽을 디코딩할 수 있게 하였다.
궁극적으로 트리거 조합은 40비트 스트림으로 구성되지만, 사용자가 원하는 트리거 파라미터를 비트, 단어 또는 문자별로 입력하는 것도 가능하며 사용자들은 지루한 개별 비트를 다루는 대신에 8b/10b 트래픽의 기호 언어를 사용하여 효율적으로 작업할 수 있다. 트리거는 입력 데이터에 실시간으로 반응하기 때문에 설계자들은 주먹구구식으로 일정 구간의 데이터를 획득하고 오류를 검색하는 대신 특정 오류 조건을 감지하도록 트리거를 설정할 수 있다. 오류 발생 이후에 분석하는 방법을 사용하는 것이 아니라 신호 오류가 발생한 즉시 인식할 수 있으므로 작업이 간소화되며 문제 해결 시간이 단축된다.
8b/10b 데이터가 포착되면 장비에 문자 및 단어 수준의 정보와 설명이 포함된 파형에 표시된다.
* 신호 동작 및 10비트 기호 내용
* 문자 및 해당 데이터 또는 기호 값
* 원시 및 고차 구조와 같은 단어 수준의 정보
디코딩된 8b/10b 신호 화면과 파형 화면이 동기화되므로 한쪽의 결과를 다른 쪽의 상황과 비교할 수 있다. 또한 단어 화면에 표시되는 오류를 물리 계층 신호 활동까지 거슬러 올라가 추적할 수 있다.
결론
신제품 DSA70000 시리즈 디지털 시리얼 분석기는 시리얼 버스 설계자들이 물리 계층 특성과 프로토콜 수준의 특성, 그리고 둘 사이의 상호 작용을 평가할 수 있는 솔루션에 대한 요구를 충족하는 제품이다. 또한 전체 대역폭에 탁월한 멀티 레인 포착 기능을 제공하므로 엔지니어들이 레인 사이에서 발생하는 혼선과 간섭으로 인한 문제를 확인하고 해결할 수 있다.
마찬가지로, 시간이 많이 소요되는 지터 측정을 모든 채널에서 동시에 수행할 수 있다. 첨단 8b/10b 트리거링 기능을 제공하므로 사용자가 프로토콜 수준의 오류를 포착하고 디버그 과정에서 이를 물리(파형) 이벤트와 연계할 수 있다. DSA70000 시리즈는 파형 포착 기능과 순전한 프로토콜 기반 분석 도구 사이의 격차를 극복한 제품이다.
< 자료제공: 한국텍트로닉스>
아이씨엔 매거진 2007년 02월호
고속 시리얼 버스 기술의 동향과 새로운 계측 기술
