串行通信層MIPI D‘PHY RX詳細解讀

　　隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )化和微機分級分布式應用系統的發(fā)展，通信的功能越來(lái)越重要。通信是指計算機與外界的信息傳輸，既包括計算機與計算機之間的傳輸，也包括計算機與外部設備，如終端、打印機和磁盤(pán)等設備之間的傳輸。在通信領(lǐng)域內，數據通信中按每次傳送的數據位數，通信方式可分為：并行通信和串行通信。

　　串行通信是指使用一條數據線(xiàn)，將數據一位一位地依次傳輸，每一位數據占據一個(gè)固定的時(shí)間長(cháng)度。其只需要少數幾條線(xiàn)就可以在系統間交換信息，特別適用于計算機與計算機、計算機與外設之間的遠距離通信。串口通信時(shí)，發(fā)送和接收到的每一個(gè)字符實(shí)際上都是一次一位的傳送的，每一位為1或者為0。

　　MIPI D‘Phy是一種物理上的串行通信層，用于連接應用處理器與顯示器或照相機，作為物理層，它具有諸多方面的優(yōu)勢。

　　MIPI（移動(dòng)行業(yè)處理器接口）聯(lián)盟是一個(gè)非贏(yíng)利組織，致力于建立移動(dòng)設備中的軟硬件接口標準。它的愿景是為移動(dòng)和受移動(dòng)影響的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全球最全面的接口規范集，從而最大程度地提高設計復用率、驅動(dòng)創(chuàng )新、縮短產(chǎn)品上市時(shí)間，并有助于提高各家公司推出的產(chǎn)品間的互操作性。

　　手機中照相機和顯示器與應用處理器的連接框圖

　　MIPI D’Phy是一種物理性串行數據通信層，上面運行著(zhù)像CSI（照相機串行接口）和DSI（顯示器串行接口）這樣的協(xié)議。它在物理上連接著(zhù)相機傳感器和應用處理器（針對CSI）以及應用處理器和顯示器（針對DSI），如上圖所示。

　　D‘Phy是一種高速、低功耗的源同步物理層，由于采用了高功效設計，因此非常適合功耗大的電池供電設備使用。它里面同時(shí)包含了有助于實(shí)現高功效的高速模塊和低功耗模塊。載荷數據（圖像數據）使用高速模塊，控制和狀態(tài)信息的發(fā)送（在照相機/顯示器和應用處理器之間）使用的是低功耗模塊（利用低頻信號）。它具有在單個(gè)數據包脈沖中發(fā)送高速和低功耗數據的特殊能力。低功耗模塊有助于節省功耗，高速模塊則有助于實(shí)現高清晰度照片質(zhì)量數據信號要求的較高帶寬。

　　D’Phy的架構

　　為了滿(mǎn)足高清質(zhì)量圖像的高帶寬要求，MIPI D‘Phy包含有一個(gè)時(shí)鐘通道和數量可設置（最多4個(gè)通道）的數據通道。通過(guò)增加數據通道數量就可以達到增加帶寬的目的。通過(guò)增加通道數量，同樣數量的數據在多個(gè)通道上傳輸可以花更短的時(shí)間。MIPI D’Phy使用正向源同步時(shí)鐘，D‘Phy接收器的所有數據通道都用這個(gè)時(shí)鐘捕獲高速數據信號。

　　通用的D’Phy通道

　　為了同時(shí)滿(mǎn)足低功耗和高速度要求，通用型D‘Phy IP（如上圖所示）的每個(gè)數據通道由低功耗發(fā)送器（LP-TX）、高速發(fā)送器（HS-TX）、用于發(fā)送MIPI D’Phy特殊圖案的串化器組成，接收側由低功耗接收器（LPRX）、高速接收器（HS-RX）、解串器和用于接收這些MIPI D‘Phy特殊數據信號的低功耗競爭檢測器（LP-CD）組成。

　　時(shí)鐘通道由低功耗發(fā)送器（LP-TX）、用于發(fā)送MIPI D’Phy特殊時(shí)鐘通道圖案的高速發(fā)送器（HS-TX）組成，接收側由低功耗接收器（LP RX）、高速接收器（HS-RX）和用于接收這些MIPI D‘Phy特殊時(shí)鐘信號的低功耗競爭檢測器（LP-CD）組成。

　　接收器的每個(gè)數據通道（或時(shí)鐘通道）通過(guò)兩根導線(xiàn)Dp和Dn （或Clkp和Clkn）連接到發(fā)送器。高速和低功耗數據傳輸都在這兩根連接著(zhù)這兩大通信模塊的導線(xiàn)上進(jìn)行。

　　低功耗模塊是一種未端接的模塊，工作在單端方式，使用1.2V的邏輯電壓。用于提供控制和狀態(tài)信息的低功耗信號的數據速率不到10Mbps。

　　高速模塊工作在差分方式。它們使用低電壓擺幅的載荷數據信號傳送信息（高速信號——Dp–Dn——的典型差分輸出擺幅是200mV）。這種模塊通常在裸片上有端接，在Dp和Dn之間，其典型值為100Ω。

　　D’Phy的工作原理以及相機輸出到MIPI D‘Phy接收器之間的數據流動(dòng)

　　相機傳感器捕獲的圖像數據經(jīng)MIPI發(fā)送器處理后在多個(gè)數據通道上傳輸。用于數據傳輸的數據通道數量是可配置的。

　　發(fā)送器根據用于數據傳輸的數據通道數量對圖像數據加以組織。然后發(fā)送器對每個(gè)通道上的數據進(jìn)行串行化，并發(fā)給相應的接收通道。

　　舉例來(lái)說(shuō)，如果用了兩個(gè)通道，那么載荷數據的第一個(gè)字節在數據通道0上發(fā)送，第二個(gè)字節在數據通道1上發(fā)送。同樣在接收側，來(lái)自每個(gè)數據通道的串行數據在D’Phy的每個(gè)接收通道中使用的解串器幫助下轉換為字節格式。然后由CSI控制器將來(lái)自每個(gè)通道解串后的字節合并到一起。

　　在每個(gè)高速載荷數據脈沖出現在每個(gè)通道上之前，發(fā)送的D‘Phy都會(huì )插入一個(gè)同步序列（00011101），如下圖所示。這個(gè)同步序列被接收D’Phy的數據通道用來(lái)建立與高速載荷數據的同步。只有當同步信號被接收D‘Phy正確解碼時(shí)，載荷數據才會(huì )轉發(fā)給MIPI CSI 2控制器，完成對數據的進(jìn)一步處理。

　　發(fā)送圖案中的同步序列

　　作為D’Phy初始化的一部分，最初所有通道保持在LP11狀態(tài)（1.2V電平）一段特定的時(shí)間。這個(gè)LP11狀態(tài)也被稱(chēng)為停止狀態(tài)。在這之后，為了發(fā)送圖像數據，發(fā)送器會(huì )向接收器發(fā)送一個(gè)特定的序列，使接收器通道從低功耗模式進(jìn)入高速模式。高速進(jìn)入序列包含在接收器通道上驅動(dòng)LP11-》LP01-》LP00 （LP-》HS轉換），如下圖所示。在成功接收這個(gè)序列后，高速接收器模塊激活其終端接收高速差分數據。

　　現在高速接收器終端變成激活狀態(tài)，接收器開(kāi)始接收來(lái)自發(fā)送器的高速數據。然而，在經(jīng)過(guò)LP-》HS轉換后，發(fā)送器會(huì )在一段特定時(shí)間內發(fā)送HS Zeros （V（Dn）》V（Dp）），用于確保在任何載荷數據被發(fā)送前接收器被正確地激活。

　　一旦接收器被激活，高速接收器會(huì )持續地接收數據，直到在它的通道上遇到LP11狀態(tài)。LP11狀態(tài)會(huì )將數據通道從高速模式帶回到低功耗模式。

　　數據通道上的高速脈沖描述了LP到HS的轉換以及HS Zero

　　通過(guò)D‘Phy數據通道發(fā)送的載荷數據采用的是數據包的格式。它可以是長(cháng)的數據包，也可以是短的數據包。長(cháng)數據包包含32位的包頭、有效載荷數據和16位的數據包腳注。短數據包只包含32位的包頭。

　　在每次高速脈沖串過(guò)后數據通道都會(huì )進(jìn)入LP11狀態(tài)。單個(gè)高速脈沖代表對應于一幅圖像水平線(xiàn)上的數據，而高速脈沖之間的LP11狀態(tài)代表消隱期間。因為低功耗命令要求信號以較低的頻率發(fā)送，因此D’Phy在低功耗和高速模式之間的這種間歇運動(dòng)有助于降低總的功耗。

　　當沒(méi)有數據需要傳輸時(shí)，所有通道都保持在ULPS狀態(tài)（超低功耗模式）。這是一種特別的低功耗模式，有助于進(jìn)一步降低功耗。ULPS狀態(tài)是通過(guò)特定的低功耗模式進(jìn)入的。一旦處于ULPS狀態(tài)，所有通道都被驅動(dòng)到低電平（0V）。時(shí)鐘通道和數據通道的ULPS進(jìn)入模式是不同的。

　　差分時(shí)鐘和數據之間的時(shí)序關(guān)系

　　來(lái)自發(fā)送器的高速載荷數據在高速差分時(shí)鐘（DDR時(shí)鐘）的兩個(gè)邊沿傳送，如下圖所示。發(fā)送器傳送的高速差分時(shí)鐘和數據在相位上差90度，數據先發(fā)送。時(shí)鐘和數據之間的這種時(shí)序關(guān)系有助于實(shí)現接收器數據通道對建立和保持時(shí)間的要求。

　　時(shí)鐘和數據之間的時(shí)序關(guān)系

　　本文小結

　　作為物理串行通信層的MIPI D‘Phy具有低功耗工作的特性，因此對今天功耗較大的移動(dòng)應用以及與移動(dòng)有關(guān)的應用來(lái)說(shuō)吸引力越來(lái)越大。