Camera D-PHY简介

D-PHY中的PHY是物理层(Physical)的意思,那么D是什么意思呢?

在MIPI D-PHY的文档中有提到过,D-PHY的最初版本的设计目标是500Mbits/s,而D是罗马数字(拉丁文数字)中500 。

同理C和M分别是罗马数字中的100和1000,也就是C-PHY和M-PHY中C和M的意思了。

D-PHY是一种高速、低功耗的源同步物理层,由于采用了高功效设计,因此非常适合功耗大的电池供电设备使用。它里面同时包含了有助于实现高功效的高速模块和低功耗模块。载荷数据(图像数据)使用高速模块,控制和状态信息的发送(在照相机/显示器和应用处理器之间)使用的是低功耗模块(利用低频信号)。它具有在单个数据包脉冲中发送高速和低功耗数据的特殊能力。低功耗模块有助于节省功耗,高速模块则有助于实现高清晰度照片质量数据信号要求的较高带宽。

如下图所示,MIPI信号(HS模式下)相对于传统的TMDS信号、LVDS信号等,具有低电压摆幅,低功耗的优势。

MIPI低功耗

MIPI 传输模式

MIPI D-PHY协议定义了两种传输模式:高速模式(High Speed,HS)和低功耗模式(Low Power,LP),两种模式使用不同的传输电平和传输机制。HS模式和LP模式的电平如下图所示:

MIPI 传输模式

其中,HS模式下,为差分信号传输,信号电平在100mV~300mV(200mV的压摆);

HS模式下,信号传输速度可达80Mbps~1Gbps(v1.0)或80Mbps~1.5Gbps(v1.1),采用源同步的传输方式,由主机(Master)设备向从机(Slave)设备提供DDR时钟。

LP模式下,为单端信号传输,信号电平在0~1.2V(1.2V压摆)。

LP模式下,信号传输速度为10Mbps,此时传输通道的差分线(HS模式下的)是两根独立的信号线。无论是HS模式还是LP模式,都采用LSB fisrt,MSB last的传输方式。

为什么要这样设计?我个人的理解是这样的:HS模式下,信号传输速度较快,较低的压摆有利于提升传输速度,同时降低功耗和EMI;那么为什么LP模式下不用HS的传输机制呢?是因为LP模式下,传输的信号速度较慢,较低的压摆不利于系统的稳定(此时可能会有比较严重的过冲,如果采用100mV~300mV的电平的话)。

一个完整的MIPI传输系统结构图如下:

完整的MIPI传输系统结构图

其中PHY Layer为物理层,如D-PHY,Low Level Protocol和Lane Management为中间层,如DSI和CSI,Application为应用层,可由软件或者硬件实现,以DSI系统为例,其中所有的命令需要符合MIPI的DCS(Display Command Set)规范。

D-PHY协议最多支持5个Lane(通道)(一个时钟Lane,4个数据Lane),最少需要两个Lane(一个时钟Lane,一个数据Lane)。

MIPI 传输模式

如上图所示,一个通用的Lane中包含LP-TX、LP-RX、HS-TX、HS-RX和LP-CD模块,所有收发模块均共用同一个差分线Dp,Dn(在LP模式下,为两根单独的信号线)。整个Lane通过PPI接口(PHY Protocol Interface)与系统的其他部分连接。

其中,LP-CD模块仅在存在于需要双向通信(Bidirectional)的系统中,对于不需要双向通信(Unidirectional)的系统,如CSI协议,则不需要LP-CD模块。显然,在Unidirectional系统中,主机(一般固定为Transmitter)则不需要RX模块,从机(一般固定为Receiver)则不需要TX模块。在需要双向通信的系统中,如DSI(当然,在特定的系统中,DSI也可以是Unidirectional的),一般只需要一个Data Lane具有双向收发的能力,其他的Data Lane和Clock Lane则可以根据实际需求,去除RX或者TX模块。需要注意的是,即使实在Unidirectional的系统中,Clock Lane也不需要反向传输,即当从机向主机发送数据时(反向传输),此时的DDR时钟仍然是由主机提供(HS模式下,LP模式下则不需要时钟)。

比较有意思的地方是,在LP模式下(包括Control Mode和Escape Mode),采用的是Spaced-One-Hot Coding机制。在该机制下,时钟可以从传输的数据中得以体现,因此不需要传输时钟。此时,用户可以根据实际需求,设置Clock Lane继续运行或者关闭以降低功耗。关于Spaced-One-Hot Coding会在后面的博文中详细介绍。【注】我们常听到的LPDT模式(Low-Power Data Transmission)和ULPS模式(Ultra-Low Power State)都是Escape Mode的一种。

综上所述,也就是说,D-PHY中一共有三种Lane,Unidirectional Clock Lane 、Unidirectional Data Lane以及Bi-directional Data Lane。

需要注意的是,D-PHY的Bidirectional通信是一种半双工的双向通信模式,同时,反向传输的速度只有正向传输的1/4。

MIPI D-PHY协议中规定了两种模式:LP模式和HS模式。其中HS模式只在高速数据传输中使用,而LP模式则同时包含控制模式(Control Mode)、低功耗数据传输模式(LPDT)和极低功耗模式(ULPS)。为了方便描述,D-PHY的协议文档中定义了Lane State的描述方式(标记符号),具体如下图所示:

D-PHY的协议文档中定义了Lane State的描述方式

同时规定了Lane Type的表述方式:

Lane Type的表述方式

举例来说,对于一个Unidirectional的系统来说,主机模块中的Data Lane至少需要包含HS-TX,LP-TX和CIL-MFXN;从机模块中的Data Lane则至少需要包含HS-RX、LP-RX和CIL-SFXN。对于一个支持反向HS模式通信的Bidirectional系统来说,主机模块中的Data Lane至少需要包含HS-TX、LP-TX、LP-RX、LP-CD和CIL-MFXY;而从机模块中的Data Lane则至少需要包含HS-RX、LP-RX、LP-TX、LP-CD和CIL-SFXY。当然,Bidirectional的通信系统也可以只支持LP的反向传输,而不支持HS的反向传输。

下面详细介绍一下,Control、High-Speed和Escape操作模式的进入和退出方式:

HS模式进入:LP11→LP01→LP00→SoT(Start of Transmission);

HS模式退出:EoT(End of Transmission)→LP11;

Escape模式进入:LP11→LP10→LP00→LP01→LP00→Entry Code;

Escape模式退出:LP10→LP11;

TX端反转数据通信方向请求(Turnaround):LP11→LP10→LP00→LP10→LP00;

随后,等待一段时间后,RX端接管,并切换为TX端发送:LP00→LP10→LP11,切换完成。如下图所示:

MIPI 传输模式

其中,Escape模式中的Entry Code有如下几种:

MIPI 传输模式

以一次HS传输过程(即HS Data Transmission Burst)为例:

MIPI 传输模式

使用示波器观察Data Lane得到的波形图如下所示:

示波器观察Data Lane得到的波形图

示波器观察Data Lane得到的波形图

示波器观察Data Lane得到的波形图

前一篇文章中提到了,在LPDT模式下,Date Lane的时钟可以关闭,换句话说,就是LPDT模式不需要时钟同步,或者说是LPDT是异步传输数据的。下面以一次LPDT传输为例,简要地介绍一下:

示波器观察Data Lane得到的波形图

从上图中,可以发现,只要Dp和Dn上有有效内容在传输,任意两个数据之间都至少插入了一个Space State(LP00),这就是所谓的Spaced-One-Hot Coding。显然,时钟信号可以从Dp和Dn信号中恢复出来,换一句话来说,此时的数据传输是Self-clocked的。

详细的状态(模式)转移图如下图所示:

状态(模式)转移图

其中,HS模式有时也被称为Busrt Mode,Low Power Mode包括Control Mode和Escape Mode。应当注意的是,Burst Mode和Escape Mode之间不可以直接来回切换,必须通过Control Mode进行中转,即:

Burst Mode↔Control Mode↔Escape Mode

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