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MIPI 自學(xué)筆記],作者IEEE1364
https://zhuanlan.zhihu.com/p/92682047
1 MIPI概 述
MIPI是Mobile Industry Processor Interface的縮寫,即
移動行業(yè)處理器接口, 是MIPI聯(lián)盟發(fā)起的為移動應(yīng)用處理器制定的開放標(biāo)準(zhǔn),目的是把手機內(nèi)部的接口如攝像頭、顯示屏接口、射頻/基帶接口等標(biāo)準(zhǔn)化,從而減少手機設(shè)計的復(fù)雜程度和增加設(shè)計靈活性。
MIPI并不是一個單一的接口或協(xié)議,而是包含了一套協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn),以滿足各種子系統(tǒng)獨特的要求。MIPI的標(biāo)準(zhǔn)異常復(fù)雜,包含非常多的應(yīng)用領(lǐng)域。下圖是其目前的整個的系統(tǒng)框圖。
目前MIPI的標(biāo)準(zhǔn)主要包含下面六大領(lǐng)域:
Physical layer
Multimedia
Chip-to-chip or interprocessor communications (IPC)
Control/data
Debug/trace and software
我們主要關(guān)注和學(xué)習(xí)多媒體這個類下面的標(biāo)準(zhǔn)。其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)包含以下內(nèi)容。
主要分為三層:應(yīng)用層、協(xié)議層和物理層。應(yīng)用于攝像頭、顯示器等設(shè)備的接口。其中攝像頭接口CSI(Camera Serial Interface)、顯示接口DSI(Display Serial Interface)是我們關(guān)注和學(xué)習(xí)的重點。CSI和DSI結(jié)構(gòu)很像,以攝像頭接口CSI為學(xué)習(xí)主線,這樣可以保證邏輯清晰。
2 CSI
CSI協(xié)議分為三層:
1.應(yīng)用層(ApplicationLayer),主要描述了上層數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)編碼和解析。CSI-2 規(guī)范中規(guī)定了像素數(shù)據(jù)到字節(jié)的映射(Mappingof pixel values to bytes)。
2.協(xié)議層(Protocol Layer),包含了幾個不同的子層,每個子層都有各自的明確職責(zé)。主要包括,像素/字節(jié)打包/解包層(Pixel/Byte Packing/UnpackingLayer),Low Level Protocol Layer(LLP),通道管理(LaneManagement)層。
3.物理層(PHYLayer),定義了傳輸介質(zhì) (electrical conductors,導(dǎo)體),輸入/輸出電路信號的電氣特性(electricalparameters)和時鐘機制(時序)。即如何從串行位流(Bit Stream)中獲取“0”和“1”信號。規(guī)范中的這一部分記錄了傳輸介質(zhì)的特性,并依據(jù)時鐘和數(shù)據(jù)通道之間發(fā)信號和產(chǎn)生時鐘的關(guān)系規(guī)定了電學(xué)參數(shù)。
CSI分為CSI2和CSI3。他們的組成如下圖:
3 D-PHY
3.1 D-PHY
我們只看相對更為常見的CSI2。CSI2的物理又兩個標(biāo)準(zhǔn),C-PHY和D-PHY。在DSI里面,物理層也會用到D-PHY,所以接下來的學(xué)習(xí)中我們只看D-PHY。
3.2物理層協(xié)議之D-PHY
本節(jié)主要參考 MIPI® Alliance Specification for D-PHY,version 1.1
3.2.1Lane模塊
介紹D_PHY之前,先講清楚什么是Lane這個概念。
Lane的原意是“航道”,我們可以理解為在兩個不同芯片之間完成信息運輸?shù)耐ǖ?。這是MIPI里面的基本信息傳輸單元。兩塊使用MIPI連接的芯片,中間使用差分信號對進行連接,收發(fā)端各有一個Lane模塊,完成數(shù)據(jù)收發(fā)。Lane模塊,加上中間的連線,組成了完整的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳輸通道。在復(fù)雜的通信協(xié)議的物理層里面,我們就不能像理解簡單協(xié)議那樣,只看到在兩個收發(fā)雙方之間的連線,而是要更加關(guān)注收發(fā)芯片里面負(fù)責(zé)收發(fā)的模塊,這是整個協(xié)議物理層核心。下圖就是一個完整的雙向數(shù)據(jù)傳輸Lane模塊(MIPI里面管這個叫Universal Lane )的示意圖:
Universal Lane里面有一對高速收發(fā)器(HS-TX、HS-RS)、一對低功耗(Low Power)收發(fā)器(LP-RX、LP-TX)、低功耗競爭檢測器(LP-CD)和Lane的控制邏輯組成。其他類型的lane都是在這個基礎(chǔ)做一定的簡化,比如單向數(shù)據(jù)傳輸通道就只有接收器或者發(fā)送器,再比如時鐘lane也是只有接收器或者發(fā)送器,是的,時鐘也是一種lane。
3.2.2 D_PYH參數(shù)
D-PHY支持三種不同類型的數(shù)據(jù)通道:單向時鐘通道,單向數(shù)據(jù)通道和雙向數(shù)據(jù)通道。
D-PHY采用1對源同步的差分時鐘和1~4對差分?jǐn)?shù)據(jù)線來進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸采用DDR方式,即在時鐘的上下邊沿都有數(shù)據(jù)傳輸。
由于Lane有高速和低功耗兩種收發(fā)器,所以D-PHY的物理層支持HS(HighSpeed)和LP(Low Power)兩種工作模式。HS模式下采用低壓差分信號,功耗較大,但是可以傳輸很高的數(shù)據(jù)速率(數(shù)據(jù)速率為80M~1Gbps),支持100mV到300mV的電壓范圍;LP模式下采用單端信號,數(shù)據(jù)速率很低(<10Mbps),但是相應(yīng)的功耗也很低,支持0V到1.2V信號電平。兩種模式的結(jié)合保證了MIPI總線在需要傳輸大量數(shù)據(jù)(如圖像) 時可以高速傳輸,而在不需要大數(shù)據(jù)量傳輸時又能夠減少功耗。下圖是HS和LP模式下的信號電平示意圖。
簡單總結(jié)一下,D-PHY的物理層參數(shù)如下表中間列所示:
3.2.3 D-PHY操作模式
這部分有點復(fù)雜,硬件狗基本可以跳過
數(shù)據(jù)Lane的三種操作模式,在高速傳輸?shù)臅r候叫 Burst Mode,在低功耗模式下有Control mode和Escape mode。在正常的操作時,數(shù)據(jù)通道處于高速模式或者控制模式。
接下來就分別說明這三種模式:
1.高速模式(Burst Mode)
高速模式最主要的模式,用來傳輸圖像。在高速模式下,通道狀態(tài)是差分的0或者1,也就是線對內(nèi)P比N高時,定義為1,P比N低時,定義為0,此時典型的線上電壓為差分200MV。下面展示了Burst模式下的傳輸時序。
2.控制模式(Control mode)
在控制模式下,高電平典型幅值為1.2V,此時P和N上的信號不是差分信號而是相互獨立的,當(dāng)P為1.2V,N也為1.2V時,MIPI協(xié)議定義狀態(tài)為LP11,同理,當(dāng)P為1.2V,N為0V時,定義狀態(tài)為LP10,依此類推,控制模式下可以組成LP11,LP10,LP01,LP00四個不同的狀態(tài)。
MIPI協(xié)議規(guī)定控制模式4個不同狀態(tài)組成的不同時序代表著將要進入或者退出高速模式等;比如LP11-LP01-LP00序列后,進入高速模式。
3.逃避模式(Escape mode)
Escape mode是數(shù)據(jù)Lane在LP狀態(tài)下的一種特殊操作。在這種模式下,可以進入一些額外的功能:LPDT, ULPS(超低功耗狀態(tài)), Trigger。一旦進入Escape mode模式,發(fā)送端必須發(fā)送1個8-bit的命令來響應(yīng)請求的動作。
Lane的各個模式列舉如下表:
Lane的各個狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如下圖:
3.2.4 MIPI電路設(shè)計
a.信號規(guī)范
MIPI的走線有多對差分對組成,要求差分阻抗100歐,50歐的單端阻抗。在共模模式下(就是前面提到的LP11,LP00)要求各自25歐(這一點其實沒搞懂)。
在高速傳輸時,直流和交流的spec如下表:
在低功耗模式下
b. D-PHY Layout
1.等長
MIPI因為一種高速差分信號的接口,為了保證信號的同步和一致性,必須保證MIPI DP/DN保持等長,無論是線對與線對之間(pair to pair)還是單組信號的DP/DN之間,一般需要遵守的長度規(guī)則如下:
camera pair to pair 100mil 單組之間:25mil
LCD pair to pair 200mil 單組之間 60mil
說明:
我其實并沒有看到物理層的規(guī)范對等長的具體要求,這里只是參考網(wǎng)上的資料
2.等距
在MIPI走線時,一般需要保持DP/DN在走線的過程中保持等距,保證一定的耦合程度,但是需要弄清楚的時,等長的優(yōu)先級是高于等距的。且在走線時,線對之間要保持2W的距離。
3.參考層
MIPI走線應(yīng)該保持連續(xù)的參考層,且最好是地層,如果這個條件實在無法滿足的話,必須保證參考層的寬度可以達到4W, 且為了防止ESD以及干擾等因素,MIPI走線最好走內(nèi)層。
4.打孔換層
MIPI盡量少打過孔,且必須注意的時,在打孔換層的時候必須DP/DN同時打孔換層,同時在周圍多打地孔,保證信號的回流;
5.遠離干擾
遠離RF以及開關(guān)電源等干擾源
6.傳輸線阻抗要求
MIPI具有阻抗的要求,一般需要達到差分阻抗為100ohm;
3.3 CSI-2協(xié)議層
CSI-2協(xié)議層允許多數(shù)據(jù)流 (CSI-2 TX)共用一個主機處理器端 CSI-2 接收信號接口 (CSI-2 RX)。協(xié)議層就可以描述有多少數(shù)據(jù)流被標(biāo)記并組合在一起,指定了多數(shù)據(jù)流怎樣被標(biāo)記和交叉存取,因此每個數(shù)據(jù)流可以在SOC處理器CSI-2接收器中被正確的重建,才能把各個數(shù)據(jù)流正確地恢復(fù)出來。
1.像素/字節(jié)打包/解包層(Pixel/Byte Packing/UnpackingLayer)
CSI-2支持多種像素格式圖像應(yīng)用,包括從6位到24位每個像素的數(shù)據(jù)格式。在發(fā)射端,數(shù)據(jù)由本層被發(fā)送到LLP層(Low Level Protocol)前,本層將應(yīng)用層傳來的數(shù)據(jù)由像素打包成字節(jié)數(shù)據(jù);在接收端,執(zhí)行相反過程,將LLP層發(fā)來的數(shù)據(jù)解包,由字節(jié)轉(zhuǎn)成像素,然后才發(fā)送到應(yīng)用層。8位每像素的數(shù)據(jù)在本層被傳輸時不會被改變。
2.LLP(Low LevelProtocol)層
LLP層包括,為串行數(shù)據(jù)在傳輸開始(SoT)到傳輸結(jié)束(EoT)之間傳輸事件,和傳輸數(shù)據(jù)到下一層,建立位級和字節(jié)級同步的方法。LLP最小數(shù)據(jù)粒度是一字節(jié)。LLP層也包括,每字節(jié)中各位數(shù)值分布解釋,即“端”(Endian)分布。
3.通道管理(LaneManagement)層
為性能不斷提升,CSI-2是通道可擴展的。數(shù)據(jù)通道數(shù)目可以是1,2,3,4,這個依賴于應(yīng)用中的帶寬需求。接口發(fā)送端分配(“distributor”功能)輸出數(shù)據(jù)流到一個或更多通道。在接收端,接口從通道收集字節(jié)并將之合并(“merger”功能)成為重新組合的數(shù)據(jù)流,恢復(fù)原始數(shù)據(jù)流序列。
數(shù)據(jù)在協(xié)議層是以數(shù)據(jù)包的形式存在。在接口發(fā)送端,添加包頭和可選擇的錯誤校驗信息,一起以數(shù)據(jù)包的形式通過LLP層來傳輸數(shù)據(jù)。在接收端,LLP層將包頭剝離,由接收者按照相應(yīng)邏輯解析數(shù)據(jù)包,得到有效數(shù)據(jù)。錯誤校驗信息可以用來檢測收到的數(shù)據(jù)完整性。
四、技術(shù)擴展
4.1 DSI簡介
4.1.1 名詞解釋
DCS (DisplayCommandSet):DCS是一個標(biāo)準(zhǔn)化的命令集,用于命令模式的顯示模組。
? DSI, CSI(DisplaySerialInterface, CameraSerialInterface)
? DSI 定義了一個位于處理器和顯示模組之間的高速串行接口。
? CSI 定義了一個位于處理器和攝像模組之間的高速串行接口。
? D-PHY:提供DSI和CSI的物理層定義
4.1.2 DSI分層結(jié)構(gòu)
DSI分四層,對應(yīng)D-PHY、DSI、DCS規(guī)范、分層結(jié)構(gòu)圖如下:
? PHY 定義了傳輸媒介,輸入/輸出電路和和時鐘和信號機制。
? Lane Management層:發(fā)送和收集數(shù)據(jù)流到每條lane。
? Low Level Protocol層:定義了如何組幀和解析以及錯誤檢測等。
? Application層:描述高層編碼和解析數(shù)據(jù)流。
4.1.3 Command和Video模式
? DSI兼容的外設(shè)支持Command或Video操作模式,用哪個模式由外設(shè)的構(gòu)架決定
? Command模式是指采用發(fā)送命令和數(shù)據(jù)到具有顯示緩存的控制器。主機通過命令間接的控制外設(shè)。Command模式采用雙向接口
? Video模式是指從主機傳輸?shù)酵庠O(shè)采用時實象素流。這種模式只能以高速傳輸。為減少復(fù)雜性和節(jié)約成本,只采用Video模式的系統(tǒng)可能只有一個單向數(shù)據(jù)路徑