萊迪思半導體白皮書

2019年11月

如今，嵌入式視覺系統設計師需要迎合眾多市場趨勢。例如，現在的設計使用的傳感器越來越多，便于收集更多數據或實現新的功能。比如在汽車市場，幾十年前，汽車廠商在車輛上安裝一個備份攝像頭就算是創新之舉了，而現在他們已經開始將攝像頭用于道路偏離監控、速度標志牌識別和其他眾多智能駕駛應用。

同時，嵌入式視覺系統設計師正逐漸采用符合移動產業處理器接口（MIPI）聯盟標準的組件。 MIPI起初是為移動市場開發的，它定義了移動設備的設計人員在在構建高性能、高成本效益、可靠的移動解決方案時所需的硬件和軟件接口標準。在過去幾年中MIPI已經成為開發嵌入式系統的主流標準。包括工業和汽車等領域的各類應用的設計人員都已經意識到這一點，并且開始尋找方法來利用移動組件高性能和規模經濟的優勢。

縮短上市時間帶來的壓力也推動了對易于使用的嵌入式視覺解決方案的需求。只提供芯片的做法已經遠遠不夠了。這些壓力讓設計人員迫切需要能夠提供所有硬件、軟件、IP和參考設計的嵌入式視覺設計環境，從而快速設計和開發終端產品。與此同時，如今的用戶希望他們的嵌入式顯示屏能夠像消費電子產品那樣反應迅捷。啟動很慢的嵌入式顯示屏會帶來偽像，破壞用戶體驗。

新的挑戰

這些快速發展的趨勢在創造機遇的同時，也為嵌入式視覺設計師帶來了嚴峻的挑戰。首先，許多嵌入式系統中使用的攝像頭和顯示屏與當今的應用處理器（AP）的接口類型或數量不匹配。AP上用于傳感器的I/O很有限，卻又要支持各類顯示屏和傳感器，更為棘手的是，各種應用的顯示大小和分辨率也不盡相同。此外，工業顯示屏使用壽命較長，許多尚在使用的顯示屏最初是通過傳統接口連接的。那么，當嵌入式應用的設計人員在設計中不得不使用傳統或專用的顯示屏和傳感器時，如何利用好MIPI組件市場的優勢呢？

為了支持使用更多傳感器和更有效地管理I/O資源，設計人員需要可編程的解決方案來彌補I/O不足的缺陷。理想狀況下，這樣的解決方案需要聚合傳感器輸入，并且讓設計師對數據進行預處理，減少處理器的負載。理想的解決方案還需要是可編程的，能夠輕松地適應定制化的顯示屏設計。以前，設計師只能通過為每種顯示類型開發專門的ASIC來支持不同的顯示尺寸和分辨率。而可編程的解決方案能夠使用單個器件實現不同的顯示要求。

2016年，隨著CrossLinkTM系列FPGA的推出，萊迪思半導體成為這一領域的領先供應商。這是一款可編程的視頻橋接器件，支持連接移動圖像傳感器和顯示屏的各類協議和接口。為了滿足嵌入式視頻市場不斷增長的需求，萊迪思又推出了CrossLink的增強版本——CrossLinkPlusTM。CrossLinkPlus新增了2 Mbit的嵌入式閃存作為配置存儲器，滿足用戶對顯示屏無縫啟動的需求。有了片上閃存，CrossLinkPlus能夠在10 ms內瞬時啟動，而人腦一般無法在15 ms內感知圖像，因此不會產生偽像干擾用戶體驗。片上閃存可支持現場重新編程。

圖1：萊迪思半導體的CrossLinkPlus FPGA

CrossLinkPlus擁有同尺寸FPGA中速度最快的MIPI D-PHY，同時功耗非常低。此款FPGA封裝尺寸僅為3.5 mm x 3.5 mm，共支持12 Gbps D-PHY。除了高速MIPI D-PHY外，CrossLinkPlus還擁有6K LUT可編程FPGA架構和靈活的高速I/O，支持MIPI CSI-2、MIPI DSI、LVDS、SLVS200、CMOS和Sub-LVDS等接口的視頻橋接。由于CrossLinkPlus能夠連接這類顯示屏和傳感器，為設計團隊提供了極大的設計靈活性。

全新器件能夠幫助開發團隊提升設計效率，從而應對產品快速上市的壓力。例如，針對接收器、轉換器和發送器等功能提供的即時可用的預驗證IP庫能讓設計人員專注于開發其設計的高價值特性，讓他們的產品在競爭中脫穎而出。預驗證的視頻IP模塊和參考設計不僅能縮短設計周期，還能免費立即獲得。此外，這些IP模塊在CrossLink和CrossLinkplus產品系列均可復用。

萊迪思還提供易于使用的硬件和軟件工具來模擬功能表現、驗證系統級功能、加速產品開發。器件上的嵌入式閃存讓設計人員可以在現場更新位流，滿足不斷變化的市場需求。全新CrossLinkPlus還能幫助工程師解決嚴格的尺寸和功耗限制問題，同時避免了使用外部閃存產生更多功耗。

從競爭力角度而言，該器件的單位尺寸硬核MIPI D-PHY速率為業界最快。萊迪思CrossLinkPlus與相似的競品相比不僅尺寸更小，D-PHY性能更強，功耗也更低。

圖2：萊迪思CrossLinkPlus FPGA不僅提供高性能的MIPI D-PHY，而且功耗極低

萊迪思為加速產品開發提供了大量支持。例如，萊迪思會定期推出基于CrossLink和CrossLinkPlus的新參考設計。這些參考設計都是為在新的或現有產品設計上實現流行的視頻橋接特性而定制的。

新的應用

CrossLinkPlus的常見用例表明它可以賦予設計人員高度的設計靈活性。下列圖3描述了如何使用該器件橋接不同接口的傳感器和處理器。這此案例中，設計人員面臨這樣一個問題：一方面它們希望利用MIPI處理器的成本、性能和尺寸的優勢；另一方面，他們希望保留采用行業標準的現有攝像頭。在圖3的機器視覺應用中，設計人員采用CrossLinkPlus來橋接Sub-LVDS接口的攝像頭和D-PHY接口的MIPI處理器。

圖3：在此應用示例中，萊迪思CrossLinkPlus FPGA在Sub-LVDS攝像頭與機器視覺處理器的MIPI I/O之間起到橋接的作用。

萊迪思CrossLinkPlus的第二個潛在應用是聚合多個傳感器的輸入，并將其發送至應用處理器。例如，在圖4中，三個圖像傳感器通過三個D-PHY端口與CrossLinkPlus器件連接。CrossLinkPlus將傳感器數據聚合，通過單個D-PHY輸出至處理器。設計人員可以通過這種聚合功能優化使用處理器有限的I/O資源。

圖4：萊迪思CrossLinkPlus可以在一個端口上聚合多個傳感器信號，節約處理器的I/O

設計人員還可以使用CrossLinkPlus來實現MIPI信號分離或復制。在圖5中，設計人員將來自傳感器的信號饋送到CrossLinkPlus器件中，然后將輸出拆分或將其復制到兩個單獨的輸出中。萊迪思認為這種方法將越來越多地應用于智能汽車的ADAS或注重數據冗余備份的應用中。在此案例中，來自攝像頭的信號進入萊迪思CrossLinkPlus器件，并被復制到兩個輸出流中。一個被發送到實時處理數據的應用處理器。第二個被存檔到本地或云端進行數據記錄和備份，類似飛機的黑匣子。若發生故障或交通事故，調查人員可以查看數據備份，確定事故原因。

圖5：在該ADAS視覺系統中，CrossLinkPlus FPGA復制攝像頭信號輸出，發送至應用處理器和數據備份處

下圖6展示了設計人員如何使用CrossLinkPlus將傳統顯示器連接到新的高性能AP。許多工業控制應用在連接OpenLDI接口的傳統顯示屏和AP時，需要采用橋接器件，因為OpenLDI顯示屏通常比MIPI顯示屏大很多。新的MIPI應用處理器通過D-PHY將數據傳送到CrossLinkPlus。然后，該器件使用OpenLDI橋接，將數據發 送到傳統顯示屏。同樣，CrossLinkPlus可用于橋接非MIPI接口的圖像傳感器和MIPI AP。

圖6：在該應用示例中，萊迪思CrossLinkPlus實現了傳統顯示器和現代應用處理器之間的連接

結論

如今，有了萊迪思CrossLinkPlus，那些希望加快嵌入式視覺開發的設計師們就無需苦苦尋找了。通過將FPGA的可重編程性引入嵌入式視覺系統，CrossLinkPlus讓設計人員可以利用MIPI組件提供的成本和性能優勢。其硬核D-PHY接口可提供行業領先的性能，嵌入式閃存可實現瞬時顯示。該器件的運行功耗極低，尺寸小，有助于簡化散熱管理，對各類常用接口和傳統接口的支持最大限度地提高了設計靈活性。最后， CrossLinkPlus全面的、預先驗證且免費的IP庫進一步加快了開發速度，讓設計人員將更多時間用于設計的 核心部分——提升競爭優勢。