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技术洞见 | MIPI总线介绍

技术洞见 | MIPI总线介绍 牛芯半导体
2025-01-23
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导读：本文转载自CSDN论坛作者碼不停提的博客，转载文章仅供学习和研究使用。

本文转载自CSDN论坛作者碼不停提的博客，转载文章仅供学习和研究使用。


简介


MIPI（Mobile Industry Processor Interface，移动产业处理器接口）是2003年由ARM、Nokia、ST、TI等公司成立的一个联盟，目的是把电子设备内部的接口如摄像头、显示屏接口、射频/基带接口等标准化，从而减少电子设备设计的复杂程度和增加设计灵活性。统一接口标准的好处是电子设备厂商根据需要可以从市面上灵活选择不同的芯片和模组，更改设计和功能时更加快捷方便。
MIPI并不是一个单一的接口或协议，而是包含了一套协议和标准，MIPI协议主要包含三层，从下往上分别为：物理层、协议层、应用层。


硬件介绍


MIPI的硬件也就是物理层，目前有D-PHY、M-PHY、C-PHY、A-PHY四种。
2007年出现了D-PHY。
2008年提出了M-PHY。数据传输量最大，但在实际应用案例几乎没有。主要原因是和camera的应用发展有关，camera在达到20M的像素之后并没有像MIPI组织的预期一样继续大幅往上更高像素数方面发展。而M-PHY设备开发过于复杂，没有设备商支持，所以仍使用D-PHY协议。
2013年提出了C-PHY协议。相比M-PHY传输速度低，但是和D-PHY更容易兼容，且设备开发成本较低。
2020年9月提出了A-PHY v1.0。主要解决长距离和可靠性问题。未来主要应用于车载场景。
D-PHY
D-PHY协议最多支持5个Lane（通道）（一个时钟Lane，4个数据Lane），最少需要两个Lane（一个时钟Lane，一个数据Lane）。每一个Lane有两根线，分别为P和N，信号以差分的方式传输，同一周期一个高
一个低。clock高低时都进行数据采样。Clock Lane是必不可少的，Data Lane的数量可以根据传输数据的吞吐率要求来选择。
一个Lane的含义是一组差分信号。
D-PHY采用1 Lane源同步的差分时钟和1/2/4 Lane差分数据线来进行数据传输，是一个高速、低功耗的源同步物理层，具有高速、低功耗、低成本等特点。
Clock信号是单向信号，只能Master向Slave提供，永远不变。
Data信号可以是单向信号，也可以是半双工信号，即可以反向传输。反向传输的本质其实是通过Master去读Slave里的数据。这种半双工的双向信号的数据传送，在反向传输数据的时候（Slave To Master），带宽只有正向传输（Master To Slave）的四分之一。
D-PHY有很多版本：
D-PHY传输状态
低功耗LP和高速HS。
LP（单信号0V~1.2V）：低功耗模式，10Mbps传输速度、异步传输，主要用于传输控制命令。
HS（差分信号100mv~300mv）：高速模式，80M~1Gbps传输速度、同步传送，用于传输高速图像数据。
状态码
HS-0：表示High-Speed模式下，Dp那根线的数据是0，由于High-Speed是差分信号，那么Dn固然就是1。
HS-1：表示High-Speed模式下， Dp那根线的数据是1，由于High-Speed是差分信号，那么Dn固然就是0。
前面说过，在Low-Power模式下，Lane的2根线是独立的，不代表差分信号，那么2根线就有4种表达方式：
LP-00：表示在Low-Power模式下，Dp那根线的数据是0，Dn那根线的数据是0。
LP-01：表示在Low-Power模式下，Dp那根线的数据是0，Dn那根线的数据是1。
LP-10：表示在Low-Power模式下，Dp那根线的数据是1，Dn那根线的数据是0。
LP-11：表示在Low-Power模式下，Dp那根线的数据是1，Dn那根线的数据是1。
Clock Lane一般都是使用非连续时钟信号模式，每传输完一帧图像数据，都会从HS模式切换回到LP模式，当需要传输下一帧图像数据时，再从LP模式进入HS模式。
D-PHY三种模式
控制模式（Control Mode）、Escape Mode、和高速模式（HS Mode）。
其中前两种模式都属于LP状态下的两种模式，高速模式属于HS状态， Escape Mode被定义为LP状态下的一种比较特殊的操作模式
Burst Mode：高速模式。
Control Mode：低功耗模式下的控制模式。
Escape Mode：低功耗模式下的逃避模式。
在正常的操作时，数据通道处于高速模式或者控制模式。
Burst Mode和Escape Mode之间不可以直接来回切换，必须通过Control Mode进行中转，即：
Burst Mode ↔ Control Mode ↔ Escape Mode
1. 高速模式（Burst Mode）
高速模式，是HS状态下的模式，用来传输图像。在高速模式下，通道状态是差分的0或者1，也就是线对内Dp比Dn高时，定义为1；Dp比Dn低时，定义为0。此时典型的线上电压为差分200MV。
2. 控制模式（Control mode）
控制模式是LP状态下的一种模式。高电平典型幅值为1.2V，此时Dp和Dn上的信号不是差分信号而是相互独立的。当Dp为1.2V，Dn也为1.2V时，MIPI协议定义状态为LP11；当Dp为1.2V，Dn为0V时，定义状态为LP10，依此类推，控制模式下可以组成LP11，LP10，LP01，LP00四个不同的状态。
MIPI协议规定，将控制模式的4个不同状态组成不同时序，用来代表着将要进入或者退出某种模式。比如LP11-LP01-LP00序列后，进入高速模式。
3. 逃避模式（Escape mode）
逃避模式是数据Lane在LP状态下的一种特殊操作。在这种模式下，可以进入一些额外的功能：LPDT（低功耗数据传输模式）, ULPS（超低功耗模式），Trigger。一旦进入Escape mode模式，发送端必须发送1个8-bit的命令来响应请求的动作。
数据Lane进入Escape mode通过LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00
退出Escape mode：LP-10→LP-11
正常情况下，Data Lane处于High-Speed mode或者Control mode。Data Lane进入Burst模式的时序如下图所示：
从中可知，从Control模式进入HS模式时的步骤是LP11→LP01→LP00→HS0→SoT(00011101) → HS。
波形图
通道1黄色波形为P，通道2蓝色波形为N，从中可以明显地区分出帧、行以及数据的间隔。
多个帧间隔：
图像帧间隔（33帧左右）及帧数据：
HS到HS的LP过渡过程：
应用电路
内部结构
C-PHY
C-PHY是一个A/B/C三线系统。它在三个信号上运行，三合一，时钟被嵌入到数据中，从而不需要单独的时钟通道。
MIPI CPHY必须CDR（Clock and Data Recovery），物理层信道中没有直接传输CLK信号，需要从接收数据中恢复时钟频率和相位。 
C-PHY和D-PHY可以在引脚上共存，所以可以做兼容。
Wire state（线状态）
C-PHY接口不需要单独的时钟信号线，而是直接从传输的数据中进行提取，而为了很好的从数据中提取时钟信息，同一周期A、B、C三根信号线上的电平都不一样，三根线三种电平，按照排列组合，总共会有六种状态。
对于每一种状态，下一步的变化都有5种变化状态。
我们要传输的信息是被编码到wire state中的，上文已经介绍C-PHY具有+x、-x、+y、-y、+z、-z，6种wire state，当信号处于其中一种状态时，只能往剩下的5种状态切换，不会保持不变，哪怕C-PHY传输的数据流不变，信号本身也会一直变化，信息被编码到状态与状态切换之中，被称之为symbol编码，换句话说，一共只有6条路，你占了一条，接下来只能往剩下的5条路里走。所以是5进制。
现在我们使用的是五进制系统，比特/符号的最大理论数量是log2（5）=2.3219。映射器功能的构建是为了使映射率尽可能接近而不超过该理论极限。此外，映射器必须在两个整数之间进行映射。选择比率16/7≈2.28是为了实现上述限制。
另一种描述方式是，映射器需要将16个二进制位映射到一定数量的C-PHY符号，但我们如何确定映射到多少个符号（S）？在并行接口上有2^16种组合，映射器输出端的组合是5^S => 2^16，所以S = 7。
工作模式
同D-PHY一样，C-PHY也有LP（低功耗）和HS（高速）两种工作模式。
波形图
应用电路
C-PHY/D-PHY组合IP
A-PHY
D-PHY、C-PHY、M-PHY都能够进行大数据量的物理传输，但是这个几个物理层协议都无法进行较长距离的传输，导致在车载和物联网领域的使用障碍。A-PHY的设计是为了向能跨过整个车辆距离提供数据传输物理层支持。其最大传输距离能够达到15米，而最大传输速度未来能达到甚至超过48Gbps，远远超过LVDS的1.5GPS。它将帮助汽车行业加速高级驾驶员辅助系统（ADAS），自动驾驶系统（ADS）和汽车环视系统的性能。这其中包括摄像头和车载信息娱乐（IVI）显示器。
A-PHY的关键技术优势包括：
非对称优化架构：A-PHY从头开始设计，用于从摄像机/传感器到ECU以及ECU到显示器的高速非对称传输，同时为命令和控制提供并发的低速双向通信。与其他/对称架构相比，优化的非对称架构可简化设计并降低成本。
简化系统集成并降低成本：对使用MIPI CSI-2和DSI-2的设备的原生支持，最终消除了对桥接IC的需求。
远距离：15米连接距离。
高性能：5档速度（2、4、8和16Gbps），未来48Gbps甚至更高。
端到端的功能安全：APHY+CSI2/DSI2可以支持ASILB~ASILD的功能安全。
高可靠性：超低的误码率PER,10^-19，可在车辆使用寿命内提供空前的性能。
移动协议重用：在数十亿智能手机和物联网设备中成功部署后，MIPI协议已被充分证明可直接用于汽车。
纯硬件协议层：就像在使用D-PHY/C-PHY分层的移动应用程序中一样，A-PHY与CSI-2/DSI-2协议层紧密耦合，因此基本上在仅具有硬件的协议层下运行，而无需软件干预。该体系结构与其他接口相比，后者具有更高的灵活性，并利用软件层来实现这种灵活性。
针对布线，成本和重量的优化架构：由于A-PHY的优化的非对称架构和硬件协议分层，A-PHY的实现可以满足优化的布线，成本和重量要求。随着电子组件及其接口电缆的数量在实现自主的道路上增加，这一点变得越来越重要。
其他协议的灵活链路层支持：MIPI Alliance希望与其他将其本机协议应用于汽车的组织合作。这包括VESA，它正在调整其DisplayPort协议规范以供汽车使用。为了适应这些不断发展的规范，A-PHY包括一个通用数据链路层，该层可容纳不同的协议适应层，并计划支持VESA的车载DisplayPort协议。
高EMC抗扰性：MIPI已投入大量资金来分析和测量恶劣的汽车频道，并得出结论，基于窄带干扰消除器（NBIC）和独特的PHY层重传方案（RTS）的体系结构可提供最强大的性能，特别是对于需要更长数据速率的应用距离。
目前由于Soc和设备都没有支持A-PHY，多数场景是需要桥接芯片连接。
将来，Soc和设备本地支持集成的A-PHY就可以直接连接。
可以看到，A-PHY不是直接跨越式的替换现有的方案，而是通过兼容性的替代现有的SerDes桥接芯片，最后实现完全不用桥接芯片的最终方案。这样的好处是平稳过渡，有利于A-PHY的接受和推广。


传输协议


DSI
MIPI DSI（Display Serial Interface）是移动产业处理器接口（‌MIPI）‌联盟开发的一种显示屏接口技术，‌专门用于驱动高清屏幕。
MIPI-DSI的数据传输格式以数据包为基本单元传输，数据包的类型分为 短数据包和长数据包。
分层架构
MIPI DSI一共有四层，从上往下依次为：应用层、协议层、通道管理层、物理层。
1、应用层
应用层处理更高层次的编码，将要显示的数据打包进数据流中，下层会处理并发送应用层的数据流。发送端将命令以及数据编码以MIPI DSI的格式，接收端则将接收到的数据还原为原始的数据。
2、协议层
协议层主要是打包数据，在原始的数据上添加ECC和校验和等东西。应用层传递下来的数据会打包成两种格式的数据：长数据包和短数据包。发送端将原始数据打包好，添加包头和包尾，然后将打包好的数据发送给下层。接收端接收到下层传来的数据包以后执行相反的操作，去除包头和包围，然后使用ECC进行校验接收到的数据，如果没问题就将解包后的原始数据交给应用层。
3、链路层
链路层负责如何将数据分配到具体的通道上，MIPI DSI可以支持1/2/3/4 Lane，采用几通道取决于你的实际应用，如果带宽需求低，那么2 Lane就够了，带宽高的话就要4 Lane。协议层下来的数据包都是串行的，如果只有1 Lane的话，那就直接使用这1 Lane将数据串行的发送出去。
4、物理层
物理层就是最底层了，完成MIPI DSI数据在具体电路上的发送与接收，与物理层紧密相关的就是D-PHY、C-PHY。物理层规定了MIPI DSI的整个电气属性，信号传输的时候电压等。
传输模式
在MIPI DSI的链路层有两种模式：video和command，这个属于HOST 端。video和command通常离不开HS和LP模式，但是video和command 属于Host范畴，HS和LP属于D-PHY范畴。
video mode数据传输有三种时序模式：
Non-Burst Mode with Sync Pulses：外设可以准确的重建原始的视频时序，包括同步脉冲宽度。
Non-Burst Mode with Sync Events：和上面的模式类似，但是不需要精准的重建同步脉冲宽度，取而代之的是发送一个“Sync event”包。
Burst Mode：此模式下发送RGB数据包的时间被压缩，这样可以在发送一行数据以后 尽快进入到LP模式，以节省功耗。
短数据包
4 bytes（固定长度）主要用于传输命令、读写寄存器。
数据包包头：
· 数据标识符（DI）*1byte：含虚拟数据通道【7:6】和数据类型【5:0】。
· 数据包*2 byte：要传送的数据，长度固定两个字节。
· 误差校正码（ECC）*1byte：可以把一个位的错误纠正。
长数据包
6~65541 bytes（动态长度）主要用于传输大量图像数据或者部分控制命令。
数据包报头（4 bytes）：
· 数据标识符（DI）*1byte：含虚拟数据通道【7:6】和数据类型【5:0】。
· 字节数（WC）*2 byte：要传送的数据，长度固定两个字节。
· 误差校正码（ECC）*1byte：可以把一个位的错误纠正。
· 有效传送数据（6~65541 bytes）：最大字节=2^16。
· 数据包页脚（2 byte）：校验。
CSI-2
CSI-2（camera serial interface 2）由MIPI（Mobile Industry Processor Interface）联盟下Camera工作组指定的接口标准，主要用于定义摄像头外设与主机控制器之间的接口，旨在确定摄像头与主机控制器在移动应用中的标准。
简单说明下，CSI包含CSI-2以及CSI-3，这两个实现上的最大区别在于物理层不同，CSI-3要求用的是M-PHY，CSI-2用的是C-PHY，D-PHY，这里不展开阐述。
分层架构
应用层（Application Layer）
主要用于不同场景对数据的处理过程。对于发送方，多为camera生成数据；对于接收方，多为SOC对数据进行处理。
协议层（Protocol Layer）
像素字节转换层（Pixel/Byte Packing/Unpacking Layer）：CSI-2能够支持多种多样的像素格式。对于发送方，在数据发送之前，需要根据像素格式，将像素数据转换为对应的字节流；对于接收方，在将数据提供给应用层之前，需要将字节流数据转换为像素数据。
低级协议层（Low Level Protocol）：定义了SoT与EoT之间的数据包字节流协议，LLP的最小单元为字节。
Lane管理层（Lane Management）：规定了Lane的数量是可拓展的，以适应不同场景下对带宽的要求。
物理层（PHY Layer）
PHY层指定了传输媒介，从串行bit流中捕捉“0”与“1”，同时生成SoT与EoT等信号。
D-PHY：D-PHY在物理上采用2线差分接口，由1对的差分clock lane与1对或多对的差分data lane组成。

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牛芯半导体，专注于高速互联技术的研发和持续创新，拥有完全自主可控的知识产权，提供全栈式接口IP授权和高速互联芯片的定制方案，赋能芯片国产化；已服务客户超百家，涵盖智能驾驶、人工智能、特种计算等领域，致力成为全球领先的高速互联半导体公司。
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