對(duì)于MIPI系列之“D-PHY”的性能分析和介紹以及應(yīng)用

本篇主要介紹MIPI物理層規(guī)范中的D-PHY，主要包括D-PHY的架構(gòu)、操作模式、電氣特性等。

MIPI D-PHY將百萬(wàn)像素?cái)z像頭和高分辨率顯示器連接到應(yīng)用處理器。它是一個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的同步鏈路，可提供高噪聲容限和高抖動(dòng)容限。MIPI D-PHY還提供高速和低功耗模式之間的低延遲轉(zhuǎn)換。

由于其靈活，高速，低功耗和低成本的特性，MIPI D-PHY是智能手機(jī)中用于相機(jī)和顯示器的主流PHY。它也可以應(yīng)用于許多其他地方，例如汽車攝像頭傳感系統(tǒng)，防撞雷達(dá)，車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)和儀表盤(pán)顯示器。

由于鏈路收發(fā)器的主從關(guān)系，鏈路的操作和可用數(shù)據(jù)速率是不對(duì)稱的。非對(duì)稱設(shè)計(jì)顯著降低了鏈路的復(fù)雜性，并且非常適合于具有一個(gè)主要數(shù)據(jù)傳輸方向的顯示器用例。支持雙向和半雙工操作。

1、D-PHY架構(gòu)

D-PHY的最初版本的設(shè)計(jì)目標(biāo)是500Mbits/s，而D是羅馬數(shù)字（拉丁文數(shù)字）中500。D-PHY采用1對(duì)源同步的差分時(shí)鐘和1～4對(duì)差分?jǐn)?shù)據(jù)線來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸采用DDR方式，即在時(shí)鐘的上下邊沿都有數(shù)據(jù)傳輸。

D-PHY的物理層支持HS（High Speed）和LP（Low Power）兩種工作模式。HS模式下采用低壓差分信號(hào)，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～2.5Gbps），采用源同步的傳輸方式，由主機(jī)（Master）設(shè)備向從機(jī)（Slave）設(shè)備提供DDR時(shí)鐘；LP模式下采用單端信號(hào)（1.2V LVCMOS信號(hào)），數(shù)據(jù)速率很低（≤10Mbps），但是相應(yīng)的功耗也很低，用于傳輸初始化控制信號(hào)。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(shí)可以高速傳輸，而在不需要大數(shù)據(jù)量傳輸時(shí)又能夠減少功耗。無(wú)論是HS模式還是LP模式，都采用LSB first，MSB last的傳輸方式。

在LP模式下，只用lane0實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，時(shí)鐘是使用數(shù)據(jù)Dp和Dn的EXOR恢復(fù)的。

鏈路層的模式分為：Command模式和Video模式。鏈路層選擇Command模式時(shí)，物理層可以為HS模式，也可以為L(zhǎng)P模式；鏈路層選擇Video模式時(shí)，物理層只能選擇HS模式。

對(duì)于MIPI系列之“D-PHY”的性能分析和介紹以及應(yīng)用

一個(gè)通用的Lane中包含LP-TX、LP-RX、HS-TX、HS-RX和LP-CD模塊，所有收發(fā)模塊均共用同一對(duì)差分線Dp，Dn（在LP模式下，為兩根單獨(dú)的信號(hào)線）。整個(gè)Lane通過(guò)PPI接口（PHY Protocol Interface）與系統(tǒng)的其他部分連接。

其中，LP-CD模塊僅在存在于需要雙向通信（Bidirectional）的系統(tǒng)中，對(duì)于不需要雙向通信（Unidirectional）的系統(tǒng)，如CSI協(xié)議，則不需要LP-CD模塊。顯然，在Unidirectional系統(tǒng)中，主機(jī)（一般固定為T(mén)ransmitter）則不需要RX模塊，從機(jī)（一般固定為Receiver）則不需要TX模塊。在需要雙向通信的系統(tǒng)中，如DSI（當(dāng)然，在特定的系統(tǒng)中，DSI也可以是Unidirectional的），一般只需要一個(gè)Data Lane具有雙向收發(fā)的能力，其他的Data Lane和Clock Lane則可以根據(jù)實(shí)際需求，去除RX或者TX模塊。需要注意的是，即使在Unidirectional的系統(tǒng)中，Clock Lane也不需要反向傳輸，即當(dāng)從機(jī)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)（反向傳輸），此時(shí)的DDR時(shí)鐘仍然是由主機(jī)提供（HS模式下，LP模式下則不需要時(shí)鐘）。

在LP模式下（包括Control Mode和Escape Mode），采用的是Spaced-One-Hot Coding機(jī)制。在該機(jī)制下，時(shí)鐘可以從傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中得以體現(xiàn)（時(shí)鐘恢復(fù)），因此不需要傳輸時(shí)鐘。此時(shí)，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求，設(shè)置Clock Lane繼續(xù)運(yùn)行或者關(guān)閉以降低功耗。常見(jiàn)的LPDT模式（Low-PowerData Transmission）和ULPS模式（Ultra-Low Power State）都是Escape Mode的一種。

D-PHY中一共有三種Lane，Unidirectional Clock Lane、Unidirectional Data Lane以及Bi-directional Data Lane。

需要注意的是，D-PHY的Bidirectional通信是一種半雙工的雙向通信模式，同時(shí)，反向傳輸?shù)乃俣戎挥姓騻鬏數(shù)?/4。

2、操作模式及轉(zhuǎn)換

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一個(gè)典型的HS傳輸過(guò)程的序列為：LP-11→LP-01→LP-00→HS→LP-11；

轉(zhuǎn)向(TurnAround)的序列為：LP-11→LP-10→LP-00→LP-10→LP-00；

Escape Mode傳輸過(guò)程的序列為：LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00；

2.1、High-Speed Data Transmission

Start-of-Transmission的流程如下表所示：

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End-of-Transmission的流程如下表所示：

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HS Data Transmission Burst的流程如下所示：

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2.2、Bi-directional Data Lane Turnaround

Turnaround的流程如下所示：

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當(dāng)通道沒(méi)有進(jìn)入driver overlap階段之前，如果通道上有STOP狀態(tài)出現(xiàn)，反轉(zhuǎn)過(guò)程可以被打斷，當(dāng)Lane已經(jīng)完成了driver overlap，通道已經(jīng)完成了反轉(zhuǎn)，此時(shí)再有STOP狀態(tài)也不能打斷turn around過(guò)程。

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2.3、Escape Mode

LP Escape Mode特性如下:

Does not depend on clock lane

Maximum data rate 10 Mbit/s

Low power data transfer

Ultra low power mode

4 remote triggers

2 reserved functions

8-out-of-256 codes selected for maximum robustness

In case of code mismatch everything is ignored tillnext Stop state

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當(dāng)檢測(cè)到LP-11→LP-10→LP-00→LP-01→LP-00序列的最后一個(gè)LP-00時(shí)，就進(jìn)入了Escape模式。

進(jìn)入Escape模式后，Data lane上發(fā)送的數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)了spaced-one-hot編碼，每個(gè)有效的位置(Mark)后都跟著一個(gè)Space。只有STOP之前的最后一個(gè)Mark1才不需要跟隨一個(gè)Space。

當(dāng)線上檢測(cè)到第二個(gè)LP00(bridge)狀態(tài)后，通道進(jìn)入Escape Mode，標(biāo)志當(dāng)前狀態(tài)為space state，在Bridge狀態(tài)之前，線上檢測(cè)到任何LP11狀態(tài)都會(huì)導(dǎo)致通道嘗試進(jìn)入Escape模式的努力失敗，通道重新返回STOP狀態(tài)。

由于Space-one-hot編碼的特性，PHY不需要Clock Lane來(lái)進(jìn)行解碼，如果電路特性滿足要求，使用D+和D-就可以恢復(fù)出Escape Mode下的Clock信號(hào)。由于D+和D-上的Mark是差分的（即D+為Mark0的時(shí)候，D-上一定是Mark1狀態(tài)），只需要把D+和D-簡(jiǎn)單疊加即可還原出CLK波形。

Data Lane進(jìn)入Escape模式后，發(fā)送方需要發(fā)送一個(gè)8bit的模式選擇命令來(lái)表明請(qǐng)求的類型，下表是模式選擇命令的具體對(duì)應(yīng)關(guān)系：

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LPDT模式是Escape模式的一種，可以進(jìn)行低速的數(shù)據(jù)傳輸，其數(shù)據(jù)編碼仍然是采用Spaced-one-hot方式。需要注意的是，LPDT模式有Pause模式，在此模式下，傳輸可以暫停。如上圖紅線框出的區(qū)域。負(fù)載(Payload)是一次數(shù)據(jù)傳輸中，實(shí)際有效傳輸?shù)膬?nèi)容數(shù)目，最小單位為字節(jié)。在傳輸過(guò)程中，為了確保Burst傳輸?shù)恼_性，需要在有效數(shù)據(jù)的前后添加一些輔助頭和輔助尾。MIPI協(xié)議沒(méi)有對(duì)Payload的最大值作出規(guī)定，但是考慮到Payload太小會(huì)降低傳輸效率，太大的話由于誤碼率的影響會(huì)導(dǎo)致頻繁的重傳，需要使用者權(quán)衡出一個(gè)比較合適的Payload值。

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