關(guān)于MIPI DPHY和MIPI CPHY接口比較及FPGA實現(xiàn)方案

MIPI是移動領(lǐng)域最主流的視頻傳輸接口規(guī)范，沒有之一，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為例進行仔細說明，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細品讀即可，這里主要講關(guān)鍵點。

1.1 物理層
開局一張圖（見下圖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)，有專門的同步時鐘通道，但是CPHY沒有同步時鐘，時鐘是嵌入到數(shù)據(jù)中的。顯然的，實現(xiàn)嵌入時鐘的目的是為了增加帶寬，肯定會涉及到編碼，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A/B/C三線系統(tǒng)。

MIPI DPHY的物理層，咱們大家都很清楚，一對時鐘，幾對數(shù)據(jù)，接收端根據(jù)時鐘邊沿采樣數(shù)據(jù)，找到0xB8的同步頭，物理層實現(xiàn)就算是齊活了，但MIPI CPHY不同，因為它不傳輸時鐘，那么要接收CPHY的數(shù)據(jù)，必須先恢復時鐘，然后再用恢復的時鐘采樣數(shù)據(jù)并尋找同步頭，最后還需要進行數(shù)據(jù)解碼恢復出最初的發(fā)送的內(nèi)容（發(fā)送端的過程相反）。

那么，CPHY物理層到底是怎么實現(xiàn)嵌入時鐘這一關(guān)鍵步驟的呢？請看下圖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?，通過A-B，B-C，C-A的電平運算，恢復出+x，-x，+y，-y，+z，-z六種不同的線態(tài)，通過前后線態(tài)的旋轉(zhuǎn)方向，相位和極性恢復出編碼符號，再通過連續(xù)7組符號解碼出16bit的數(shù)據(jù)，整個過程見下圖4。

圖4 數(shù)據(jù)恢復過程圖

為何要選擇這比DPHY復雜多的物理層呢？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，那么它每個符號可編碼的數(shù)據(jù)為log2（5） = 2.3219，理論帶寬為DPHY的2.3219倍，每16bit數(shù)據(jù)編碼成7個符號，帶寬優(yōu)勢明顯。

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

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

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

圖5 CPHY CSI-2數(shù)據(jù)組織

因此，在CSI-2解包邏輯尚無法完全共用。

2 FPGA實現(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），其它型號的PFGA均需添加額外的電平轉(zhuǎn)換電路將信號轉(zhuǎn)換為LVDS。

（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，因為需要做減法運算，故可用專門的告訴比較器（或Repeater），結(jié)果以LVDS電平輸出。

2.2 邏輯實現(xiàn)
邏輯實現(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LVDS電平后就是一個通用的ISERDES邏輯，主要是時鐘方案有兩種考慮：

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

第二種：在源同步時鐘基礎(chǔ)上使用專門的時鐘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)定速率來配置鎖相環(huán)電路，缺點是易受時鐘毛刺影響，出錯率稍高。

2.2.2 MIPI CPHY
MIPI CPHY的難點是時鐘恢復，在FPGA系統(tǒng)中，沒有針對MIPI CPHY的專用時鐘恢復電路（CDR），因此，需要充分利用CPHY的線態(tài)編碼均衡和FPGA可編程延時電路的特點來實現(xiàn)CDR，這種方案理論上要求FPGA內(nèi)部延時邏輯約精確越好，LUT時鐘性能越高，這樣會把時鐘恢復誤碼和抖動降到最低。時鐘恢復完成后，線態(tài)解碼、符號解碼和數(shù)據(jù)恢復流程見圖4。

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

2.2.3 資源占用
Panda君在Xilinx kintex-7系列FPGA對MIPI DPHY+CPHY 接收IP進行了驗證，占用資源SliceLUTs為2352個，Slice Registers 3401個。本方案亦可在紫光同創(chuàng)、高云等國產(chǎn)FPGA上降速實現(xiàn)。

圖5 MIPI DPHY+CPHY Vivado工程圖

編輯：hfy