싸이프레스의 MoBL-USB TX2와 같이 Tri-State MODE를 통합하는 UTMI PHYs는 값비싼 외부 부품을 사용하는것에 대한 염려를 덜어줄 뿐만 아니라 디자이너들이 비용과 보드 공간 모두를 절약할 수 있는 풍부한 기능의 휴대폰을 설계를 할 수 있도록 해 주면서 다른 특징들을 위한 GOIPS를 재사용할 수 있게 해 준다.
글│Ray Casey, Triton Hurd, 싸이프레스
USB는 휴대폰을 PC로 연결하기 위해 선택하는 인터페이스로 빠르게 확산되고 있으며, 이는 PC와 랩탑 시장에서의 USB라면 어디에서나 볼 수 있는 것들의 일부이기 때문이다. 2~4개의 포트를 제공하면서 단 하나의 USB 포트도 가지고 있지 않는 새로운 PC를 찾기란 그리 쉬운 일이 아닐 것이다.
또한 USB는 PC로 그리고 PC로부터 데이터를 전송하는 표준방식이 되었으며, MP3 플레이어, 디지털 스틸 카메라(DSC), 플래시 드라이브, 하드 디스크 드라이브 등은 전송 프로토콜 방식으로 모두 USB를 채용하고 있다. 휴대폰이 고화질 디지털 카메라, PMP, PDA 기능 등과 같이 보다 많은 특징들을 계속 통합해 나감에 따라 사용자들은 휴대폰에서 또는 휴대폰으로 보다 편리한 파일 전송방식을 필요로 하게 되었다. 그러면 USB 보다 더 나은 것이 있을까?
이러한 관점에서 휴대폰 프로세서 벤더들은 USB를 베이스밴드와 애플리케이션 프로세서로 의 통합을 시작하고 있다. 오늘날, 대부분의 프로세서들은 주소록 동기화와 같은 적은 분량의 데이터 전송용으로는 충분한 Full-Speed(FS) USB (12Mbps)를 통합하고 있다. 그러나, MP3 플레이어 및 고화질 디지털 카메라와 같은 특징들의 추가로 Full-Speed USB는 더 이상 충분할 수 없게 되었다. 소비자들은 PMP와 디지털 카메라를 즐기며 High-Speed USB(480Mbps) 전송에 익숙해 있으며, 휴대폰의 Full-Speed USB 연결을 이용하는 PC로 MP3와 사진을 전송하는 경험을 하면서 실망하고 있다.
이러한 차이점의 한 사례는 호스트 PC로부터 각 디바이스에 고정된 양의 데이터를 전동하고 전송에 걸리는 시간을 기록하면서 하나는 High-Speed USB를 지원하고 또 다른 하나는 Full-Speed USB를 지원하는 2개의 보편적인 핸드헬드 디바이스를 비교함으로써 볼 수 있다. High-Speed USB 디바이스는 호스트 PC로부터 핸드헬드 디바이스에 105MB의 데이터를 전송하는데 약 33초가 걸린다. 반면, Full-Speed USB 디바이스는 동일한 전송을 실행하는데 거의 13분이 걸린다.
현재 8GB의 데이터 스토리지를 지원하는 첨단 플래시 기반의 핸드헬드 디바이스로는 Full-Speed를 이용하면 17시간 이상이 걸릴 것이다. 반면, High-Speed USB를 이용하면 44분이 걸린다. 첨단 하드 드라이브 기반의 핸드헬드 디바이스는 80GB의 용량을 지원한다. 그러므로 시간은 Full-Speed를 이용한 170시간과 High-Speed USB를 이용한 7.3시간(440분)을 비교하면 Full-Speed가 10배까지 더 걸릴 것이다.
사용자들은 PC에 연결된 핸드헬드 디바이스에서 매번 이 같은 양의 데이터를 업로드 혹은 다운로드 하기를 원하지 않을 수도 있지만 위의 사례는 우리가 Full -Speed vs. High-Speed USB를 이용하면서 소비자의 경험을 고려할 때를 목적으로 하고 있다.
휴대폰 프로세서 벤더들은 상호 반응하고 있으며, High-Speed USB를 통합하고 있다. Full-Speed USB가 디지털 회로에서만 실감할 수 있는 반면, High-Speed USB는 훨씬 더 많은 Data Rate(40x)를 달성하며 그로 인해 아날로그 PHY를 필요로 한다. 휴대폰 프로세서 벤더들은 기술 Geometry Curve를 줄여나감으로써 비용을 지속적으로 줄여나감에 따라 디지털은 물론 아날로그 회로도 측정하지 못하기 때문에 아날로그 PHY의 통합 문제에 직면하고 있다.
또한 프로세서 벤더들은 그로 인해 PHY 생략을 선택하고 있으며 표준 USB PHY와 함께 사용하기 위한 UTMI(USB 2.0 Transceiver Macrocell 인터페이스) 및 ULPI(UTMI+ Low Pin 인터페이스)와 같은 표준 인터페이스들을 보여주고 있다.
UTMI 인터페이스는 8비트 또는 16비트 데이터 버스가 구현되는 것에 따라 22~26핀 사이로 구성된다. 이는 모든 데이터와의 Control Signal을 고려할 때 22 혹은 26 프로세서 GPIO가 필요하다는 것을 의미하는 것이다. 새로운 세대의 프로세서가 가용한 GPIO 수를 늘림에도 불구하고 어느 때 보다 많이 증가하고 있는 특징을 지원하기 위한 GPIO의 필요성은 가용한 GPIO의 수를 메우기에 충분하다. 이로써 디자이너들은 그들이 부가하고자 하는 특징들을 취하고 선택할 수 있을 뿐만 아니라 이렇게 제한된 GPIO를 재사용하기 위한 창조적인 방식을 제안할 수 있다. 프로세서에 인터페이스 하기 위해 일반적으로 GPIO를 필요로 하는 다른 기능들과 관련한 사례는 다음과 같다.
카메라 Control Module
이 모듈은 이미지 센서로부터 데이터를 받아들이며, 프로세서를 통해 스토리지 미디어(SD, NAND, HD등)로 전송한다. 이러한 방식은 사용 모델로부터 사용자가 PC에서 파일을 전송하는 동안 카메라 사용이 필요하지 않을 것이기 때문에 UTMI 트랜시버와 함께 공유되는 가장 일반적인 기능이다.
DVB-H(Digital Video Broadcast - 핸드헬드)
이 디바이스는 DVB 시그널을 취하며 프로세서에서 DVR 시그널을 전송한다. 따라서, 사용자는 휴대폰 LCD 창에서 텔레비전을 라이브로 시청할 수 있다. 거의 대부분의 사용자는 텔레비전을 시청하는 동안 파일을 전송할 필요가 없을 것이다.
블루투스(Bluetooth)
블루투스 모듈은 블루투스로 가능한 주변기기 및 Radio와 함께 모든 커뮤니케이션을 취급한다. 블루투스는 `always on` 혹은 주변기기들을 항상 탐색 하는 기술이다. 따라서, 블루투스는 UTMI 트랜시버와 공유될 것 같지 않다.
2가지 가능한 해결책
프로세서 상에서 GPIO를 재사용하고자 할 때 다음 2가지의 해결책이 있다. 첫 번째는 External Tri-State 버퍼를 이용하여 각각의 디바이스를 분리하는 것이다. 두 번째 해결책은 다른 기능을 수행할 수 있도록 자유롭게 하면서 인터페이스를 Tri-States Mode로 주변기기 디바이스를 놓아두는 것이다.
첫 번째 해결책은 외장 부품의 추가로 인해 바람직하지 않다. 휴대폰 디자인에서 보드 공간은 중요하며, 디자이너가 부품 수를 줄일 기회가 있으면 그들은 그렇게 할 것이다. 외장 Tri-State 버퍼를 제거하는 것은 BOM 비용, 보드 면적 요구 및 복잡함을 줄이는 것이다.
휴대폰 디자이너들은 첫 번째 해결책에 나타난 추가 부품 요구에 난색을 표할 뿐만 아니라 또한 Tri-State 버퍼를 통한 Propagation Delay의 추가로 시점과 관련한 디자인의 복잡함에 직면할 것이다. 예를 들어, 8비트 데이터 버스 모드에서 UTMI 인터페이스로 디자인 할 때 각 사양 당 인터페이스는 60MHz로 타임이 기록된다. 이는 약 16ns의 타이밍 예산을 제공하는 것이다. 좋은 트랜시버는 4ns의 셋업 타임을 가질 것이며, 프로세서의 Clock Out Time은 최대 8ns가 될 수 있다. 만일 버퍼가 경로로 삽입되었다면 경로 지연 및 마진을 위한 타이밍 예산을 남겨놓지 않고 4ns~6ns의 Propagation Delay를 가질 것이다.
추가 비용과 복잡함, 그리고 첫 번째 해결책과 관련한 애로사항 등으로 인해 디자이너들은 Mode로 주변기기 디바이스를 넣으려는 대안의 해결책을 찾아야만 했다. 본질은 주변기기 디바이스로 직접 Tri-State 버퍼 기능을 통합하는 것이며, 그로 인해 외장 부품의 필요성을 없애 주는 것이다. 이러한 해결책으로 디자이너들은 동일한 궁극적인 목표는 달성할 수 있는 반면 부품 수는 최소한으로 유지할 수 있는 것이다. 그림 1은 이러한 두 가지 방식을 보여주고 있다.
두 번째 옵션이 외장 Tri-State 버퍼의 필요성을 없애준다는 것은 의심의 여지가 없으며, 그로 인해 훨씬 더 많은 바람직한 해결책들을 가지게 된다. 그러나, 이러한 해결책 역시 복잡하지 않은 것은 아니다. 단점을 주의 깊게 고려하면 디자이너는 이러한 해결책을 성공적으로 실현할 수 있다. 가장 분명한 것은 UTMI 트랜시버는 UTMI 인터페이스를 Tri-State 할 수 있다는 것이다. 이는 사소하게 보일지도 모르지만 UTMI 사양은 GPIO 핀 공유를 위해 개발된 것은 아니다. 따라서, 대부분의 UTMI 트랜시버는 UTMI 인터페이스를 Tri-Stating 하는 능력을 통합하지 않는다. 이 글에서 이러한 능력을 지원하는 업계 유일의 UMTI PHY는 싸이프레스 세미컨덕트의 MoBL-USBTM TX2이다.
또 다른 함정은 시스템 레벨에서 비롯된다. UTMI 인터페이스를 Tri-State 하기에 안전할 때에는 유일한 특정 시간이 있다. 명확한 답은 인터페이스로 전송되고 있는 데이터가 없을 때 인 것처럼 보이지만 휴대폰(OTG 호스트로 작동하지 않을 때)은 하나의 Slave이며 전송을 시작하기 위해 USB 호스트를 기다린다. UTMI 인터페이스가 Tri-State 되었다면 USB 호스트가 데이터 전송을 요청하려 할 때를 프로세서는 어떻게 알 수 있을까?
트랜시버 상에서 UTMI 인터페이스를 Tri-State하기 위한 유일한 안전 시간대가 있으며, 그 시간은 호스트에 연결된 USB 케이블이 없는 관계로 트랜시버가 프로세서에 의해 Suspend Mode로 들어갈 때이다. 호스트에 의해 시작된 어떠한 전송도 없을 이때가 바로 유일한 그 시간 이다.
Suspend에는 두 가지 형태가 있다. USB 호스트에 의해 초래된 하나는 USB Suspend라 불리며, 프로세서에 의해 초래된 또 다른 하나는 Device Suspend라고 불린다. USB Suspend 시 트랜시버는 Suspend Mode로 놓여지지 않는데 이는 프로세서가 USB 재개로 초래된 호스트를 위한 UTMI Line State Pin을 모니터 해야 하기 때문이다. 어떤 지점에서 USB 케이블이 제거되었다면 더 이상 호스트에 연결할 수 없을 것이며, 프로세서는 트랜시버를 Device Suspend로 두어야 할지도 모른다. 프로세서는 Vbus를 모니터하기 때문에 언제 USB 케이블이 제거 되었는지 알 것이다.
다음은 일반적인 사용 모델의 예이며, 그림 2는 이러한 사례에서의 모든 상황을 보여주고 있다. 핸드헬드 디바이스가 USB 호스트에 꽂혀있지 않을 때 트랜시버는 Suspend Pin을 통해 프로세서에 의해 디바이스 Suspend Mode로 놓여진다. 그러면 UTMI 인터페이스는 Tri-State Mode를 이용하여 Tri-State된다.
이러한 상태는 사용자가 e-메일을 보내거나 사진, MP3 파일의 매스 스토리지 전송을 실행하기 위해 휴대폰을 PC에 동기화 하고자 결정할 때까지 유지된다. 휴대폰에 그리고 PC에 USB 케이블을 꼽으면 USB 호스트 연결은 이루어지고 Vbus도 적용되며, Vbus 탐지회로는 프로세서를 알려줄 것이다. 휴대폰 업데이트 이후 사용자가 호스트에 연결된 상태로 둘 경우에는 디바이스에 USB Suspend를 나오도록 결정해야 할 지도 모른다.
만일 호스트가 트랜시버를 USB Suspend로 둘 경우 에는 D+/D- Lines 상태가 호스트를 위한 USB 재개를 위해 모니터 될 필요성이 생기기 때문에 디바이스 Suspend Mode로 놓여질 수 없다. 이를 위한 유일한 방법은 프로세서가 트랜시버의 UTMI 인터페이스 상에서 Line State UTMI Signals을 모니터 하는 것 이다. 사용자가 USB 케이블을 뽑기로 결정하는 어떤 시점에서 프로세서는 Vbus가 더 이상 없고 트랜시버는 Suspend로 놓여질 수 있으며, UTMI 인터페이스가 다시 Tri-Stated 되었다는 것을 알게 될 것이다.
결론
싸이프레스의 MoBL-USB TX2와 같이 Tri-State MODE를 통합하는 UTMI PHYs는 값비싼 외부 부품을 사용하는 것에 대한 염려를 덜어줄 뿐만 아니라 디자이너들이 비용과 보드 공간 모두를 절약할 수 있는 풍부한 기능의 휴대폰을 설계를 할 수 있도록 해 주면서 다른 특징들을 위한 GOIPS를 재사용할 수 있게 해 준다.
<자료제공: 월간 반도체네트워크 2007년 03월호>