MIPI DPHY&CPHY接口描述及FPGA實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

MIPI是移動(dòng)領(lǐng)域最主流的視頻傳輸接口規(guī)范，沒(méi)有之一，目前應(yīng)用最廣泛的是MIPIDPHY和MIPI CPHY兩組協(xié)議簇（另外還有MIPI MPHY，屬于高速Serdes范疇，應(yīng)用不那么廣泛），其中CSI-2主要用于圖像接入（一般是接Sensor），DSI-2主要用于圖像輸出（一般是輸出到顯示屏）。

本文主要以CSI-2為例進(jìn)行仔細(xì)說(shuō)明，DSI-2雷同，舉一反三即可。

1 接口協(xié)議比較

關(guān)于MIPI DPHY和MIPI CPHY的詳細(xì)物理層協(xié)議和CSI-2/DSI-2協(xié)議咱們自己下載官方英文版細(xì)細(xì)品讀即可，這里主要講關(guān)鍵點(diǎn)。

1.1 物理層

開局一張圖（見(jiàn)下圖1），內(nèi)容是干貨，MIPI CPHY和DPHY物理層之間的差異全在這張圖里面了。

圖1 MIPI DPHY和CPHY物理層直觀比較圖

從圖1可以看出，最直觀的差異是DPHY是源同步系統(tǒng)，有專門的同步時(shí)鐘通道，但是CPHY沒(méi)有同步時(shí)鐘，時(shí)鐘是嵌入到數(shù)據(jù)中的。顯然的，實(shí)現(xiàn)嵌入時(shí)鐘的目的是為了增加帶寬，肯定會(huì)涉及到編碼，物理層的結(jié)構(gòu)必然是完全不同，單從線路上看，CPHY是一個(gè)A/B/C三線系統(tǒng)。

MIPI DPHY的物理層，咱們大家都很清楚，一對(duì)時(shí)鐘，幾對(duì)數(shù)據(jù)，接收端根據(jù)時(shí)鐘邊沿采樣數(shù)據(jù)，找到0xB8的同步頭，物理層實(shí)現(xiàn)就算是齊活了，但MIPI CPHY不同，因?yàn)樗粋鬏敃r(shí)鐘，那么要接收CPHY的數(shù)據(jù)，必須先恢復(fù)時(shí)鐘，然后再用恢復(fù)的時(shí)鐘采樣數(shù)據(jù)并尋找同步頭，最后還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼恢復(fù)出最初的發(fā)送的內(nèi)容（發(fā)送端的過(guò)程相反）。

那么，CPHY物理層到底是怎么實(shí)現(xiàn)嵌入時(shí)鐘這一關(guān)鍵步驟的呢？請(qǐng)看下圖2和圖3。

圖2 CPHY“線態(tài)”變化圖

圖3 CPHY接口等效電路圖

結(jié)合圖2和圖3，CPHY物理鏈路（A/B/C線）上傳輸?shù)氖遣煌碾娖剑ㄟ^(guò)A-B，B-C，C-A的電平運(yùn)算，恢復(fù)出+x，-x，+y，-y，+z，-z六種不同的線態(tài)，通過(guò)前后線態(tài)的旋轉(zhuǎn)方向，相位和極性恢復(fù)出編碼符號(hào)，再通過(guò)連續(xù)7組符號(hào)解碼出16bit的數(shù)據(jù)，整個(gè)過(guò)程見(jiàn)下圖4。

圖4 數(shù)據(jù)恢復(fù)過(guò)程圖

為何要選擇這比DPHY復(fù)雜多的物理層呢？一切都是為了提升帶寬，從圖2可以看出，某種線態(tài)的可能有5種不同的變化，那么它每個(gè)符號(hào)可編碼的數(shù)據(jù)為log 2 （5） = 2.3219，理論帶寬為DPHY的2.3219倍，每16bit數(shù)據(jù)編碼成7個(gè)符號(hào)，帶寬優(yōu)勢(shì)明顯。

1.2 CSI-2層

MIPI CPHY和MIPI DPHY的CSI-2層協(xié)議大致相同，細(xì)節(jié)上的差異如下：

（1） DPHY以Byte為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)組織；CPHY以16bit Word為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)組織；

（2） DPHY 的短幀和長(zhǎng)幀的幀頭信息與數(shù)據(jù)的組織方式相同；CPHY則是固定每個(gè)通道為6×16bit的幀頭信息（短幀信息），見(jiàn)下圖5。

圖5 CPHY CSI-2數(shù)據(jù)組織

因此，在CSI-2解包邏輯尚無(wú)法完全共用。

2 FPGA實(shí)現(xiàn)

MIPI接口電平比較特殊，LP模式下為1.2V的LVCMOS電平，DPHY在HS模式下為SLVS-400電平，CPHY在HS模式下需要做電平減法運(yùn)算。

2.1 硬件電路

就目前而言，直接支持MIPI DPHY的FPGA主要有Xilinx UltraScale+系列（1.5Gbps/Lane Max）Lattice Crosslink（1.5Gbps/Lane Max）及Lattice Crosslink NX（2.5Gbps/lane Max），其它型號(hào)的PFGA均需添加額外的電平轉(zhuǎn)換電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS。

（1） DPHY，低于800Mbps/lane速率，使用電阻網(wǎng)絡(luò)即可；高速率的需選用專門的電平轉(zhuǎn)換芯片，如MC20901、LT89101L等；

（2） CPHY，因?yàn)樾枰鰷p法運(yùn)算，故可用專門的告訴比較器（或Repeater），結(jié)果以LVDS電平輸出。

2.2 邏輯實(shí)現(xiàn)

邏輯實(shí)現(xiàn)的差異主要在物理層，CPHY和DPHY完全不同。

2.2.1 MIPI DPHY

MIPI DPHY屬于源同步系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)VDS電平后就是一個(gè)通用的ISERDES邏輯，主要是時(shí)鐘方案有兩種考慮：

第一種：使用PLL、MMCM或DLL，此種方案對(duì)PLL的鎖定時(shí)間有較高的要求，通常要求us級(jí)才能保證在時(shí)鐘不連續(xù)模式下正常鎖定，當(dāng)然具有專用DPHY邏輯的器件有專門的PLL電路實(shí)現(xiàn)。這種方案的好處是不易受時(shí)鐘毛刺的影響，接收較為穩(wěn)定。

第二種：在源同步時(shí)鐘基礎(chǔ)上使用專門的時(shí)鐘buffer分頻（如Xilinx 7系列的BUFR），這種方案可適應(yīng)任意速率，不需要預(yù)先設(shè)定速率來(lái)配置鎖相環(huán)電路，缺點(diǎn)是易受時(shí)鐘毛刺影響，出錯(cuò)率稍高。

2.2.2 MIPI CPHY

MIPI CPHY的難點(diǎn)是時(shí)鐘恢復(fù)，在FPGA系統(tǒng)中，沒(méi)有針對(duì)MIPI CPHY的專用時(shí)鐘恢復(fù)電路（CDR），因此，需要充分利用CPHY的線態(tài)編碼均衡和FPGA可編程延時(shí)電路的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)CDR，這種方案理論上要求FPGA內(nèi)部延時(shí)邏輯約精確越好，LUT時(shí)鐘性能越高，這樣會(huì)把時(shí)鐘恢復(fù)誤碼和抖動(dòng)降到最低。時(shí)鐘恢復(fù)完成后，線態(tài)解碼、符號(hào)解碼和數(shù)據(jù)恢復(fù)流程見(jiàn)圖4。

總之，MIPI CPHY在MIPI DPHY的基礎(chǔ)上成倍增加了帶寬，減少了線對(duì)數(shù)量，在高速大靶面傳感器和高分高刷新移動(dòng)設(shè)備OLED應(yīng)用上越來(lái)越普及。

2.2.3 資源占用

Panda君在Xilinx kintex-7系列FPGA對(duì)MIPI DPHY+CPHY 接收IP進(jìn)行了驗(yàn)證，占用資源SliceLUTs為2352個(gè)，Slice Registers 3401個(gè)。本方案亦可在紫光同創(chuàng)、高云等國(guó)產(chǎn)FPGA上降速實(shí)現(xiàn)。