GMSL解析：像素模式和隧道模式如何增強系統性能

GMSL概覽

千兆多媒體串行鏈路(GMSL)是ADI公司專(zhuān)有的SERDES技術(shù)，旨在通過(guò)單根同軸電纜或兩根屏蔽雙絞線(xiàn)(STP)電纜實(shí)現遠距離高速視頻數據傳輸。GMSL最初是為汽車(chē)應用開(kāi)發(fā)的，抗電磁干擾(EMI)能力強，并支持使用更輕的線(xiàn)束。但現在，它也被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、醫療等眾多其他領(lǐng)域。

目前有三代GMSL可用：即GMSL1、GMSL2和GMSL3。深入詳細地探討這三者之間的差異不屬于本文的討論范圍。不過(guò)，為了更好地理解本文的內容，我們重點(diǎn)說(shuō)明其中一些細節：

●   本文介紹的技術(shù)細節和特性不適用于GMSL1代。

●   雖然完整的GMSL產(chǎn)品組合支持多種類(lèi)型視頻接口（并行、攝像頭串行接口2 (CSI-2^?)、HDMI^?、oLDI等）之間的視頻數據傳輸，但本文闡述的內容僅適用于支持CSI-2的GMSL器件。

圖1為支持GMSL的基本網(wǎng)絡(luò )的示例。SERDES位于視頻源和視頻接收設備之間，這樣就能在兩者之間實(shí)現更遠的傳輸距離，而且還能減少所需的電纜數量。

圖1 支持GMSL的點(diǎn)對點(diǎn)連接

視頻源可以是傳感器或處理器，而視頻接收設備可以是顯示器或其他處理器。

橋接視頻接口：CSI-2

CSI-2是移動(dòng)行業(yè)處理器接口(MIPI)聯(lián)盟制定的一種高速視頻接口標準。它可用于汽車(chē)、手機、無(wú)人機、機器人等眾多領(lǐng)域。通常，CSI-2視頻源是各種傳感器，例如成像器、雷達、LIDAR等，而視頻接收設備是處理器、片上系統(SoC)、微控制器等。

CSI-2是一種協(xié)議規范，它定義了圖像數據如何格式化、接收和發(fā)送，并使用D-PHY?或C-PHY?作為硬件層。這兩種硬件層是MIPI聯(lián)盟定義的不同物理層接口，描述了高速數據傳輸所需的電氣特性、信號完整性和時(shí)序特性。

簡(jiǎn)而言之：

●   相較于D-PHY，C-PHY可以支持更高帶寬的應用。每種PHY使用不同的數據和時(shí)鐘通道拓撲，因此對布局的考量也不同。

●   CSI-2數據包結構由三個(gè)主要部分組成：包頭、有效載荷和尾部。C-PHY和D-PHY都遵循這種結構，只是略有不同。

●   包頭包含有關(guān)有效載荷內容的安全信息，其作用是讓接收器知道準備接收什么類(lèi)型的數據。

●   有效載荷包含需要傳輸的主要信息。

●   尾部通過(guò)CRC校驗和來(lái)保護有效載荷信息。

SERDES視頻數據傳輸

在GMSL系統中，CSI-2數據包由串行器接收，將其編碼為GMSL數據包格式，再通過(guò)電纜傳送到配對的解串器，由解串器將視頻解包，并將CSI-2信息發(fā)送到本地處理器。

隨著(zhù)GMSL CSI-2器件的演進(jìn)，出現了兩種不同的視頻數據傳輸模式。雖然兩種模式都能確保視頻內容通過(guò)GMSL鏈路安全可靠地傳輸，但其各自的特點(diǎn)也應予以考慮。兩種傳輸模式分別是像素模式和隧道模式。

像素模式是傳統的傳輸模式，它是在第一批GMSL2產(chǎn)品中引入的。如圖2所示，在此模式下，傳入的CSI-2數據包包頭和尾部被移除，數據有效載荷轉換為像素格式，以便通過(guò)GMSL鏈路發(fā)送。CSI-2格式與像素格式之間的轉換在串行器中完成，而在鏈路的另一端，解串器會(huì )重建CSI-2結構，并將新的包頭和尾部添加到結構中。

圖2 像素模式傳輸（簡(jiǎn)化版）

隧道模式則是將整個(gè)CSI-2數據結構重新打包，如圖3所示。因此，隧道模式有時(shí)被稱(chēng)為CSI-2轉發(fā)，它不支持任何基于像素的處理。

圖3 隧道模式傳輸（簡(jiǎn)化版）

不同的GMSL器件可能支持一種或兩種傳輸模式，詳細信息請參閱相應的數據手冊。

為使GMSL鏈路成功運行，系統必須支持串行器和解串器，并統一配置為像素模式或隧道模式。如果串行器和解串器之間的模式不匹配，將無(wú)法傳輸視頻數據。GMSL器件支持的其他外設接口或協(xié)議（例如I2C、UART、GPIO等）不會(huì )受到影響。

像素模式與隧道模式逐項特性比較

在實(shí)施基于GMSL的系統時(shí)，系統設計人員需要根據采用的是像素模式還是隧道模式關(guān)注幾項特性。本節將重點(diǎn)介紹其中一些特性。

所有這些特性都與CSI-2數據包結構本身，以及CSI-2包頭和尾部中可找到的信息類(lèi)型密切相關(guān)。

數據完整性

GMSL通信受其自身的校驗和算法保護。除了該算法之外，CSI-2協(xié)議還會(huì )計算數據有效載荷字節的16位CRC，并將此信息存儲在數據包尾部中。該校驗和中不包括包頭信息。

圖4 像素模式下的視頻數據完整性

在隧道模式下，來(lái)自傳感器的原始CRC會(huì )通過(guò)鏈路一直發(fā)送到處理器，使得數據完整性進(jìn)一步增強。如圖5所示，在串行器和解串器之間仍然存在GMSL CRC，使得冗余度更高。

此外，在隧道模式下，解串器還支持內聯(lián)CRC校驗，因而能夠驗證并選擇性地糾正CSI-2標頭或有效載荷CRC。檢測到的校驗和不匹配情況時(shí)，可使用錯誤報告功能進(jìn)行報告。這樣，系統可以在SoC進(jìn)行數據采集之前，更快地發(fā)現錯誤。

圖5 隧道模式下的視頻數據完整性

在像素模式和隧道模式下，均可使用內部前向糾錯(FEC)功能進(jìn)一步提升串行器和解串器之間的數據完整性。

聚合

在GMSL中，聚合是指將多個(gè)視頻流合并為單個(gè)輸出的功能，通過(guò)這種方式可以更優(yōu)化地利用視頻接收設備的輸入引腳。1圖6顯示了使用兩個(gè)單輸入MAX96717 串行器和一個(gè)雙輸入MAX96716A 解串器實(shí)現聚合的示例。

圖6 使用匹配傳輸模式實(shí)現兩個(gè)視頻源之間的聚合

每個(gè)GMSL端口的傳輸模式都是單獨配置的。在圖6中，串行器和解串器的輸入端口都必須配置為以像素模式或隧道模式運行。只有采用同一傳輸模式的視頻流之間才能進(jìn)行聚合。

混合使用情況（即一個(gè)鏈路以像素模式運行，另一個(gè)鏈路以隧道模式運行）不支持聚合。在這種情況下，視頻流必須使用不同的解串器輸出端口，如圖7所示。

圖7 像素/隧道混合模式用例

MIPI物理層

MIPI轉換

此外，將來(lái)自?xún)蓚€(gè)或更多傳感器的多個(gè)視頻流合并到單個(gè)MIPI端口時(shí)，可能會(huì )出現另一個(gè)問(wèn)題：組合視頻數據可能會(huì )超過(guò)D-PHY的10 Gbps限制。為了突破這一瓶頸，并避免對架構設計施加太多限制，通過(guò)視頻鏈進(jìn)行D-PHY至C-PHY的轉換是理想方案。

在像素模式下，從視頻源到接收設備的傳輸過(guò)程中，只有CSI-2數據有效載荷保持不變，并且對于兩種物理層，其結構相同。這意味著(zhù)，使用GMSL技術(shù)，在像素模式下，接收設備和視頻源無(wú)需考慮對方使用何種類(lèi)型的PHY。由于PHY數據包結構僅標頭和尾部有所不同，因此可以將傳入的D-PHY結構解構，然后由解串器重新組裝為C-PHY，有效載荷信息不會(huì )受到影響。

隧道模式本身不具備此功能；因此，該模式不支持D-PHY至C-PHY的轉換。

但也有例外，例如MAX96724/MAX96724F/MAX96724R 四輸入CSI-2解串器系列，其支持多達四個(gè)CSI-2端口，物理層可以使用D-PHY或C-PHY配置。該系列可以配置為以像素模式或隧道模式工作。MAX96724系列可以在隧道模式下執行D-PHY至C-PHY的轉換，而不影響數據完整性。

虛擬通道管理

虛擬通道是分配給CSI-2數據包的標簽，用于識別每個(gè)數據有效載荷。在使用聚合的應用中，標簽會(huì )變得更加重要，因為接收端需要對多個(gè)傳入流進(jìn)行解復用并將其相互區分。此類(lèi)標簽位于CSI-2數據包的包頭段內。

因此，在像素模式下，可以對GMSL器件進(jìn)行自定義虛擬通道重新分配。另一方面，并非支持隧道模式的器件都具備這種靈活性。在這種情況下，每個(gè)視頻源都需要設置唯一的虛擬通道。

原理圖和布局布線(xiàn)影響

像素模式和隧道模式在協(xié)議層面上存在差異，但未必需要對應用的原理圖進(jìn)行任何實(shí)質(zhì)性修改。

GMSL器件可以設置為上電時(shí)默認進(jìn)入像素模式或隧道模式。此默認設置可通過(guò)CFG[#]引腳上的預定義電阻分壓器網(wǎng)絡(luò )實(shí)現，詳見(jiàn)具體器件的數據手冊。根據上電默認配置為像素模式還是隧道模式，這些電阻會(huì )有所不同。

無(wú)論上電默認配置如何，從一種模式到另一種模式的轉換也可以通過(guò)寄存器寫(xiě)入來(lái)實(shí)現。

而模式的切換對布局方面沒(méi)有影響。像素模式和隧道模式將在相同的布局和PCB堆疊上運行。

結語(yǔ)

了解GMSL技術(shù)的兩種模式之間的差異，對于設計穩健的高性能系統至關(guān)重要。表1對像素模式和隧道模式支持的一些特性進(jìn)行了比較。簡(jiǎn)而言之，像素模式可提供更大的系統靈活性，而隧道模式以損失部分系統靈活性為代價(jià)，提升了數據完整性。

表1 像素模式和隧道模式支持的特性

參考文獻

1GMSL2通用用戶(hù)指南。ADI公司，2023年12月。

作者簡(jiǎn)介

Flavius Luntra?u 是ADI公司的高級現場(chǎng)應用工程師，從事汽車(chē)視頻連接方面的工作。他在GMSL技術(shù)領(lǐng)域擁有三年多的實(shí)踐經(jīng)驗，致力于支持OEM和一級供應商集成先進(jìn)的攝像頭系統和顯示解決方案。目前專(zhuān)注于與客戶(hù)合作、共同開(kāi)發(fā)定制解決方案以及促進(jìn)創(chuàng )新汽車(chē)應用開(kāi)發(fā)來(lái)推動(dòng)GMSL技術(shù)取得成功。